Wytwarzanie i testowanie optycznie sterowanego czujnika mikrofalowego do wykrywania poziomu mocznika w moczu

Summary

Protokół ten określa niskokosztowy, optycznie sterowany czujnik mikrofalowy do wykrywania mocznika. Za pomocą rezystora zależnego od światła i konstrukcji fraktalnej przekształca właściwości optyczne moczu w liniową odpowiedź impedancji RF. Chociaż projekt oparty na FR4 daje obiecujące zastosowanie w punktach opieki, przyszłe prace wymagają materiałów o niskich stratach oraz klinicznej weryfikacji przenośnego systemu.

Abstract

Monitorowanie poziomu mocznika w moczu jest kluczowe dla oceny funkcji nerek i stanu nawodnienia. Obecne metody często opierają się na inwazyjnych, kosztownych lub czasochłonnych testach biochemicznych, które nie są idealne do monitorowania w miejscu opieki czy ciągłego. Protokół ten opisuje wykonanie i testowanie nowatorskiego, taniego i bardzo czułego czujnika mikrofalowego zaprojektowanego do wykrywania poziomu mocznika. Sensor integruje kołowy spiralny induktor (CSI), kondensator międzycyfrowy (IDC) oraz rezystor światło-zależny (LDR) na podłożu FR4, pracując z częstotliwością rezonansową 1,22 GHz. Kluczową innowacją jest sterowanie optyczne za pomocą LDR, które po ekspozycji na stałe źródło światła z próbki moczu moduluje straty wstawienia czujnika (S₂₁) w sposób liniowy i mierzalny względem stężenia mocznika. Projekt zawiera ścieżkę z pętlą wsteczną oraz fraktalne stuby Hilberta, aby zminimalizować efekty dyfrakcyjne i poprawić dopasowanie impedancji, tym samym poprawiając dokładność pomiarów. Szczegółowo przedstawiamy symulację numeryczną czujnika za pomocą CST Microwave Studio, jego wykonanie za pomocą trawienia chemicznego oraz eksperymentalną walidację z użyciem próbek ludzkiego moczu. Wyniki pokazują stałe i powtarzalne przesunięcie parametru S₂₁ przy zmiennych poziomach mocznika, potwierdzone przez model sieci neuronowej do klasyfikacji danych. Ten czujnik stanowi obiecujące narzędzie do nieinwazyjnej, w czasie rzeczywistym diagnostyki biomedycznej.

Introduction

Technologia detekcji mikrofalowej stała się potężnym narzędziem do nieinwazyjnej charakterystyki materiałów biologicznych ze względu na minimalne wymagania kontaktowe, nieniszczycielską penetrację oraz bezpieczny charakter niejonizujących fal elektromagnetycznych¹. Właściwości dielektryczne płynów ustrojowych, takich jak mocz, są zależne od ich składu chemicznego, w tym stężenia mocznika, co czyni je wykrywalnymi poprzez zmiany w propagacji mikrofalowej². Chociaż istnieją konwencjonalne czujniki mikrofalowe, często napotykają one wyzwania związane z czułością, miniaturyzacją oraz optymalizacją współczynnika jakości (czynnika Q) do wykrywania drobnych zmian w złożonych płynach, takich jak mocz³.

Najnowsze osiągnięcia wykorzystywały różne geometrie rezonatorów, takie jak komplementarne rezonatory z rozszczepionym pierścieniem (CSRR) oraz struktury fraktalne, aby poprawić wydajność czujnika⁴. Jednak osiągnięcie wysokiej czułości przy prostym, tanim projektowaniu pozostaje istotną przeszkodą⁵. Opisany tutaj czujnik odpowiada na te ograniczenia, łącząc CSI i IDC z unikalnym mechanizmem sterowania optycznym⁶. Umieszczenie LDR pozwala na modulację wydajności RF czujnika przez optyczną przezroczystość próbki moczu, która koreluje ze stężeniem mocznika⁷. Tworzy to nowy mechanizm przekonujący, który przekształca własność biochemiczną w mierzalny sygnał mikrofalowy⁸.

Ten artykuł przedstawia szczegółowy, krok po kroku protokół budowy i obsługi tego optycznie sterowanego czujnika mikrofalowego⁹. Omawiamy uzasadnienie projektowe, konfigurację symulacji, proces produkcji, procedurę kalibracji oraz metodę analizy danych, w tym wykorzystanie algorytmu uczenia maszynowego do interpretacji wyników¹⁰. Reprezentatywne wyniki pokazują skuteczność sensora w wykrywaniu poziomów mocznika w próbkach ludzkiego moczu, podkreślając jego potencjał do zastosowań diagnostycznych w miejscu opieki¹¹.

W całym tym badaniu stężenie mocznika wyraża się w jednostkach mg/mol/^{cm 3} , aby odzwierciedlić znormalizowaną metrykę stężenia wyprowadzoną z mechanizmu transdukcji sensora, która łączy tłumienie optyczne na jednostkę długości ścieżki (cm) z molowym stężeniem mocznika (mol) normalizowanym przez masę (miligramy)¹². Aby ułatwić porównanie ze standardową literaturą kliniczną, jednostkę tę można przeliczyć na jednostki konwencjonalne w następujący sposób: stężenie mocznika wynoszące 1 mg/mol/^cm3 odpowiada około 1 mg/dL przy uwzględnieniu standardowej długości ścieżki pomiarowej, czyli równoważnie 0,166 mmol/L przy masie cząsteczkowej mocznika (60,06 g/mol)¹³. Zakres stężeń badanych w tym badaniu (150–450 mg/mol/^{cm 3}) odpowiada klinicznie istotnym poziomom mocznika 150–450 mg/dL, co obejmuje normalne wartości fizjologiczne (około 200–400 mg/dL) i łagodne podwyższenia¹⁴. To dopasowanie zapewnia, że wyniki są interpretowalne w kontekście standardowej praktyki biomedycznej¹⁵.

Proponowany projekt czujnika wynika z potrzeby taniej, nieinwazyjnej i w czasie rzeczywistym metody wykrywania mocznika, która odpowiada na ograniczenia istniejących metod pomiaru mikrofalowego, które zazwyczaj opierają się wyłącznie na wahaniach przenikalności dielektrycznej i często wymagają złożonej kalibracji¹⁶. Nowością tej pracy jest integracja trzech odrębnych elementów projektowych, które wspólnie umożliwiają bezpośredni i liniowy mechanizm transdukcji optyczno-mikrofalowej¹⁷. Po pierwsze, połączenie kołowego spiralnego induktora (CSI) i kondensatora międzycyfrowego (IDC) tworzy strukturę rezonansową o wysokim Q, która koncentruje pole elektromagnetyczne w obszarze detekcji, zwiększając czułość na drobne zmiany w otaczającym medium¹⁸. Po drugie, włączenie fragtalnych zaczepków Hilberta na złączu CSI-IDC minimalizuje efekty dyfrakcyjne i optymalizuje dopasowanie impedancji, poprawiając stabilność pomiaru i powtarzalność^{pomiaru 19}. Po trzecie, i najważniejsze, wprowadzenie LDR jako optycznie sterowanego elementu transdukującego oznacza odejście od tradycyjnych czujników mikrofalowych; zamiast polegać wyłącznie na właściwościach dielektrycznych próbki, LDR umożliwia modulację odpowiedzi RF czujnika przez optyczną przezroczystość próbki moczu, która koreluje ze stężeniem mocznika²⁰. Tworzy to hybrydową ścieżkę transdukcji optyczno-mikrofalowej, która bezpośrednio przekłada własność biochemiczną na mierzalne przesunięcie S₂₁ przy stałej częstotliwości rezonansu²¹. Z naszej wiedzy, prace te stanowią pierwszą demonstrację optycznie sterowanego czujnika mikrofalowego do wykrywania mocznika, który łączy LDR z rezonatorem wspomaganym fraktalem CSI-IDC, aby uzyskać bezpośredni odczyt liniowy, co stawia proponowany sensor jako obiecującą platformę do nieinwazyjnej, w czasie rzeczywistym diagnostyki w miejscu opieki²².

Mechanizm transdukcji czujnika opiera się na hybrydowym szlaku optyczno-mikrofalowym, w którym LDR przekształca optyczną przezroczystość moczu — odwrotnie skorelowaną do stężenia mocznika — na mierzalne przesunięcie |S₂₁| poprzez modulację obciążenia impedancji rezonatora²³ kołowego cewki spiralno-intercyfrowej (CSI-IDC). Ta liniowa zależność upraszcza kalibrację i umożliwia odczyt w czasie rzeczywistym, odróżniając proponowaną konstrukcję od konwencjonalnych czujników mikrofalowych, które opierają się wyłącznie na wahaniach przenikalności dielektrycznej. Klinicznie mocznik jest kluczowym biomarkerem funkcji nerek i stanu nawodnienia, z prawidłowymi poziomami w zakresie 200–400 mg/dL; Odchylenia mogą wskazywać na odwodnienie, zaburzenia nerek lub zaburzenia metaboliczne. Czujnik odpowiada na ograniczenia złotego standardu testów enzymatycznych — które wymagają infrastruktury laboratoryjnej i wykwalifikowanego personelu — oferując szybkie (<30 s), niskokosztowe, nieinwazyjne pomiary z użyciem próbek na skali mikrolitrowej, wspierając jego potencjał do zastosowań w punktach opieki²⁴.

Protocol

Uzyskano etyczną zgodę od Rady Przeglądowej IATRC. Wszystkie procedury dotyczące próbek moczu ludzkiego były zgodne z zasadami Deklaracji Helsińskiej. Wszyscy uczestnicy uzyskali pisemną świadomą zgodę, a wszystkie próbki zostały zanonimizowane w celu ochrony poufności.

Projektowanie czujników i symulacja numeryczna

Pierwszym krokiem w projektowaniu czujnika jest przeprowadzenie symulacji elektromagnetycznej. Do wykonania układu wykorzystuje się CST Microwave Studio, który obejmuje rezonator złożony z kołowego spiralnego induktora (CSI) połączonego szeregowo z kondensatorem międzycyfrowym (IDC). Między tymi częściami jest punkt łączący związek na odległość, który pozwala im współpracować optycznie²⁵. Aby poprawić wydajność, do złącza CSI-IDC dodaje się dwa otwarte fragmenty fraktalu Hilberta, aby zmniejszyć obrzeża i zniekształcenia pola elektromagnetycznego. Do płaszczyzny uziemienia dodano również strukturę pętli wstecznej, aby zwiększyć stabilność odpowiedzi filtra pasmowego i poprawić dokładność pomiarów²⁶. Konstrukcja najlepiej sprawdza się na standardowym, tanim podłożu FR4 (ε_r≈ 4,3, grubość 1,6 mm) i ma główny rezonans operacyjny na poziomie 1,22 GHz. Użyliśmy oprogramowania do stworzenia i analizy równoważnego modelu układu z elementami zbiorczymi, aby sprawdzić symulowane parametry S. Dzięki temu wyniki symulacji elektromagnetycznych i obwodowych na pełnych falach były takie same^{, 27}. Wybór LDR jako elementu optycznego przenikającego był motywowany jego wyraźnymi zaletami w tej konkretnej architekturze detekcji mikrofalowej. W przeciwieństwie do fotodiod lub fototranzystorów, które wymagają złożonych układów polaryzujących i oferują nieliniową relację prąd-światło, LDR zapewnia pasywną, liniową i szerokim zakresem modulacji rezystancyjnej w odpowiedzi na natężenie padającego światła. To liniowe przesunięcie rezystancji bezpośrednio moduluje S₂₁ sąsiedniego rezonatora mikrofalowego bez wprowadzania szumu obwodu aktywnego ani konieczności dodatkowego kondycjonowania sygnału. Ponadto niska droga, kompaktowa powierzchnia i płynna integracja LDR z podłożem FR4 — nie wymagająca zewnętrznych linii biasingowych — są zgodne z ogólnym celem projektowym, jakim jest prosty, niskokosztowy i nieinwazyjny czujnik punktu opieki zdrowotnej.

Aby umieścić proponowany czujnik w szerszym kontekście technologii wykrywania mocznika, warto krótko porównać z ustalonymi metodami. Testy biochemiczne, takie jak metoda enzymatycznej ureazy, stanowią złoty standard kliniczny, oferując wysoką dokładność i czułość (limity wykrywania już od 1–5 mg/dL), ale wymagające specjalistycznego sprzętu laboratoryjnego, wykwalifikowanego personelu oraz typowego czasu realizacji 30–60 minut, co ogranicza ich zastosowanie w punktach opieki. Paski enzymatyczne zapewniają szybką (2–5 min), tanią, półilościową alternatywę odpowiednią do użytku domowego; jednak opierają się na interpretacji kolorymetrycznej, która może być subiektywna, i oferują ograniczoną czułość do precyzyjnego pomiaru stężenia. Czujniki elektrochemiczne, w tym amperometryczne i potencjometryczne biosensory mocznikowe, osiągają wysoką czułość i umożliwiają wykrywanie w czasie rzeczywistym, jednak często wymagają skomplikowanej produkcji elektrod i unieruchomienia enzymów oraz cierpią na problemy ze stabilnością spowodowane degradacją enzymów w czasie. Dla porównania, proponowany optycznie sterowany czujnik mikrofalowy oferuje unikalną kombinację cech: nieinwazyjne sprzężenie optyczne eliminuje bezpośredni kontakt próbki z elementami wykrywającymi, zmniejszając ryzyko skażenia; czas pomiaru wynosi mniej niż 30 sekund; produkcja na tanim podłożu FR4 minimalizuje koszty; a liniowa zależność między stężeniem mocznika a stratami wstawieniami (S₂₁) upraszcza kalibrację. Chociaż obecna czułość (1,42 × ^10-4 na mg/mol/cm³) jest odpowiednia do klasyfikacji klinicznie istotnych zakresów mocznika (150–450 mg/dL), dalsza optymalizacja może zwiększyć granice wykrywania porównywalne z elektrochemicznymi odpowiednikami. Ogólnie rzecz biorąc, czujnik zajmuje uzupełniającą niszę, stawiając na prostotę, szybkość i przenośność w zastosowaniach punktu obsługi technicznej, gdzie precyzja laboratoryjna nie jest kluczowa.

Produkcja czujników

Standardowa fotolitografia przenosi gotowy projekt na jednostronną, miedzianą płytę FR4. Do wykonania wzoru sensora na podłożu laminowanym fotorezystansem stosuje się fotomaskę o wysokiej rozdzielczości. Następnie wzór jest rozwijany i trawiony w roztworze chlorku żelaza (FeCl₃). Po trawieniu i wyczyszczeniu złącza SubMiniature wersji A (SMA) są starannie lutowane do portów mikropasków wejściowych i wyjściowych, aby można było podłączyć²⁸ urządzeń pomiarowych. Proces ten sprawia, że działa czujnik o niskim profilu i jest gotowy do testów.

Konfiguracja i kalibracja eksperymentalna

Za pomocą wysokiej jakości kabli koncentrycznych, złożony czujnik jest podłączony do analizatora sieci wektorowej (VNA), podobnego do serii Agilent PNA. Za pomocą mechanicznego zestawu kalibracyjnego wykonuje się pełną dwuportową kalibrację (Open, Short, Load, Through) na końcach kabla, aby wyeliminować systematyczne błędy pomiarowe. Aby zmierzyć parametry S czujnika, VNA jest ustawiona tak, aby przesuwać od 0,1 GHz do 4 GHz z mocą wyjściową -10 dBm²⁹.

Procedura przygotowania i pomiaru próbki moczu

Uczestnicy, którzy zgodzą się oddać próbki moczu, są proszeni o to. Do pomiaru ustawia się stałą platformę testową: LDR umieszcza się bezpośrednio pod czystym szklanym szkiełem, które jest wyśrodkowane nad aktywnym obszarem czujnika. Najpierw wykonuje się pomiar bazowy S₂₁ , gdy LDR jest oświetlony przez źródło światła o stałej intensywności i bez obecnej próbki. Następnie na środek szkiełka szkiełka podawa się kroplę moczu o wielkości 0,01 mL. Widmo S₂₁ jest ponownie rejestrowane z taką samą ilością światła. Właściwości optyczne próbki zależne od mocznika zmieniają rezystancję LDR, co powoduje mierzalną zmianę w czujniku |S₂₁| na 1,22 GHz³⁰. Aby uniknąć zanieczyszczenia krzyżowego, szkiełko jest czyszczone wodą destylowaną i etanolem między każdym pomiarem próbki. Pobrano świeże próbki moczu od dziesięciu zdrowych ochotników (pięciu mężczyzn, pięć kobiet; w wieku 25–45 lat). Podstawowe stężenia mocznika, mierzone analizatorem chemii klinicznej, mieściły się od 150 do 450 mg/dL. Aby ustalić kontrolowany zakres testowy, próbki podzielono na trzy grupy stężeń: niskie (150–250 mg/dL), pośrednie (251–350 mg/dL) oraz wysokie (351–450 mg/dL), z dziesięcioma próbkami na kategorię. Wszystkie próbki zostały przeanalizowane w ciągu 2 godzin od pobrania, przechowywane w temperaturze 4 °C, gdy nie były używane, i wyrównane do temperatury pokojowej przed pomiarem. Na czysty szkiełko w każdym badaniu nakładano 0,01 ml aliquot, a preparaty były czyszczone 70% etanolem i wodą destylowaną między pomiarami, aby zapobiec zanieczyszczeniu krzyżowemu³⁰%.

Pozyskiwanie i analiza danych

Główną informacją pobieraną z każdego pomiaru jest rozmiar S₂₁ (w dB) przy rezonansu 1,22 GHz. Ten zbiór danych służy do nauczania algorytmu K-Nearest Neighbors (KNN), który działa w programie takim jak MATLAB. Model wykorzystuje magnitudę S₂₁ do podziału poziomów mocznika na grupy takie jak "niski", "średni" i "wysoki"³¹. Ponadto czułość koncentracji czujnika można zmierzyć, wyrysując zmianę w |S₂₁| (Δ|S₂₁|) w stosunku do zmiany stężenia mocznika (ΔC). Nachylenie tej liniowej zależności, C = ΔS / ΔC, pokazuje czułość. Aby ocenić odporność czujników i wiarygodność pomiarów, przeprowadzono badanie powtarzalności z 45 pomiarami na kategorię stężenia mocznika (niskie: 150–250 mg/dL, pośrednie: 251–350 mg/dL, wysokie: 351–450 mg/dL) w ciągu trzech niezależnych dni, łącznie 135 pomiarów. Współczynnik zmienności wahał się od 0,67% do 1,07% we wszystkich kategoriach, co wskazuje na doskonałą powtarzalność pomiarów. Niepewność pomiaru została zmierzona zgodnie z ramami Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM), łącząc niepewność typu A (zmienność statystyczna wynikająca z powtarzanych pomiarów) z wkładem typu B z kalibracji VNA (±0,05 dB), wahań temperatury (±0,01 dB/°C) oraz zmian pozycjonowania próbki (±0,02 dB). Rozszerzona niepewność (k=2, 95% przedział ufności) wahała się od ±0,38 dB do ±0,56 dB, w zależności od kategorii stężenia. Czułość na koncentrację, wyprowadzona z regresji liniowej Δ|S₂₁| w porównaniu do ΔC obliczono jako 1,42 × ^10-4 na (mg/mol/cm³), z 95% przedziałem ufności 1,35 × ^10-4 do 1,49 × ^10-4 na (mg/mol/cm³) i współczynnikiem determinacji (R²) 0,94. Względna rozszerzona niepewność czułości wyniosła ±6,2% (k = 2), co potwierdza, że zgłaszana czułość jest statystycznie odporna, a sensor wykazuje powtarzalną wydajność odpowiednią do zastosowań w miejscu opieki.

Results

Po wyprodukowaniu zaprojektowanym i przedstawionym na Rysunku 1, wydajność czujnika została najpierw wyprodukowana, patrz Rysunek 2, i zweryfikowana bez żadnej próbki. Zmierzone parametry S wykazywały doskonałą zgodność z symulowanymi wynikami, z pierwotnym rezonansem 1,22 GHz i S₂₁ osiągającym -27 dB, jak pokazano na Rysunku 2. Drobne rozbieżności (<5%) przypisuje się tolerancjom produkcji i efektom lutowania.

Discussion

Protokół opisuje pomyślny rozwój innowacyjnego optycznie sterowanego czujnika mikrofalowego, specjalnie zaprojektowanego do wykrywania mocznika w ludzkim moczu. Kluczowe aspekty protokołu obejmują skrupulatne projektowanie fragtalnych stubów Hilberta, aby zoptymalizować rozkład pola elektromagnetycznego i zapewnić spójne umieszczanie próbek moczu na szklanym szkiełku zamiast LDR, co ułatwia powtarzalne sprzężenie optyczne. Wyniki podkreślają skuteczność LDR w przekładaniu właściwości optycznych moczu, które zmieniają się...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
CST Microwave Studio	Dassault Systè MES	2023	Symulacja elektromagnetyczna na pełnych falach
Multimetr cyfrowy	Fluke	87V	Do weryfikacji oporów
Woda destylowana	Lokalny dostawca	Nie ma	Do rozcieńczania i czyszczenia próbek
Kąpiel trawiąca	Ogólne	Nie ma	Kontrolowana temperaturą, 50 stopni i g; C
Etanol (70%)	Merck	100983	Do czyszczenia szkiełek szklanych
Chlorek żelaza (FeCl3)	Sigma-Aldrich	157740	Roztwór 0,5 M, środek trawiący
Laminat pokryty miedzią FR4	Ogólne	Nie ma	Jednostronny, grubość 1,6 mm, i epsilon; r 4.3
Szklane slajdy	Corning	2947-75X25	75 mm i razy; 25 mm & razy; 1 mm, do rozmieszczenia próbki
Płyta grzewcza	Ogólne	Nie ma	Do wywoływania i utwardzania
Źródło światła	Uniwersalna dioda LED	Nie ma	Biała dioda LED, temperatura barwowa 6000 K, stała intensywność 1000 luksów
Rezystor zależny od światła (LDR)	Generic (GL5528)	GL5528	Odporność: 10 kΩ (światło), 1 MΩ (ciemne); Średnica 5 mm
MATLAB	MathWorks	R2023b	analiza danych i klasyfikacja KNN; Zestaw narzędzi do statystyki i uczenia maszynowego
Mechaniczny zestaw kalibracyjny	Agilent	85052D	Otwórz, zwarć, załaduj, przejdź (OSLT) do kalibracji dwóch portów
Mikropipeta	Eppendorf	3120000062	0,5 i zarytka; 10 & mikro; Zakres głośności L
Microsoft Excel	Microsoft	Office 365	Rejestrowanie i analiza danych
Oscyloskop	Tektronix	TBS1052B	Do pomiaru napięcia wyjściowego prostownika
Fotomaska	Zwyczaj	Nie ma	Maska chromowana o wysokiej rozdzielczości z wzorem czujnika
Fotorezystyk	Mikrochemia	SU-8 2000	Fotorezystyk negatywny do fotolitografii
Końcówki pipety	Eppendorf	30015.119	0,01 i zarytek; 10 & mikro; L, sterylny
Pojemniki na próbki z polipropylenem	Thermo Fisher	342020-0030	30 mL pojemniki sterylne
Układ prostownika RF	Zwyczaj	Nie ma	Oparte na diodach Schottky'ego; przekształca napięcie RF na napięcie stałe
Złącze startowe SMA z kobiecą krawędzią	Amphenol RF	132169	50 & Omega;, do połączenia mikropaskowego
Mocznik (do wykończenia)	Sigma-Aldrich	U5128	Klasy farmaceutycznej, ≥ 99,5% czystości
System ekspozycji UV	Karl Suss	MA6	Czas naświetlenia: 120 s
Analizator sieci wektorowych (VNA)	Agilent	Seria PNA	Zakres częstotliwości: 0,1 i zarytek; 4 GHz, przepustowość IF: 100 Hz, punkty przesuwania: 1001