Fabricação e Teste de um Sensor de Micro-ondas Óptico Controlado para Detecção de Nível de Ureia na Urina

Summary

Esse protocolo descreve um sensor de micro-ondas de baixo custo, controlado opticamente, para detectar ureia. Usando um resistor dependente da luz e um design fractal, ele traduz as propriedades ópticas da urina em uma resposta linear de impedância RF. Embora o projeto baseado em FR4 mostre potencial para uso no ponto de atendimento, trabalhos futuros exigem materiais de baixa perda e validação clínica de um sistema portátil.

Abstract

O monitoramento dos níveis de ureia na urina é crucial para avaliar a função renal e o estado de hidratação. Os métodos atuais frequentemente dependem de ensaios bioquímicos intrusivos, caros ou demorados, que não são ideais para monitoramento no ponto de atendimento ou contínuo. Este protocolo descreve a fabricação e os testes de um sensor de micro-ondas inovador, de baixo custo e altamente sensível, projetado para a detecção de níveis de ureia. O sensor integra um indutor circular em espiral (CSI), um capacitor interdigital (IDC) e um resistor dependente da luz (LDR) em um substrato FR4, operando a uma frequência de ressonância de 1,22 GHz. A principal inovação é o controle óptico via LDR, que, quando exposto a uma fonte de luz fixa através de uma amostra de urina, modula a perda de inserção do sensor (S₂₁) de forma linear e quantificável em relação à concentração de ureia. O projeto incorpora um traço de back-loop e stubs fractais de Hilbert para minimizar os efeitos de difração e melhorar o ajuste de impedância, melhorando assim a precisão da medição. Detalhamos a simulação numérica do sensor usando o CST Microwave Studio, sua fabricação por meio de gravação química e sua validação experimental usando amostras de urina humana. Os resultados demonstram um deslocamento consistente e repetível no parâmetro S₂₁ com níveis variáveis de ureia, confirmado por um modelo de rede neural para classificação de dados. Esse sensor apresenta uma ferramenta promissora para diagnósticos biomédicos em tempo real e não invasivos.

Introduction

A tecnologia de detecção por micro-ondas emergiu como uma ferramenta poderosa para caracterização não invasiva de materiais biológicos devido aos seus requisitos mínimos de contato, penetração não destrutiva e a natureza segura das ondas eletromagnéticas não^ionizantes. As propriedades dielétricas de fluidos corporais como a urina são influenciadas por sua composição química, incluindo a concentração de ureia, tornando-as detectáveis por meio de mudanças na propagação das^{micro-ondas 2}. Embora existam sensores convencionais de micro-ondas, eles frequentemente enfrentam desafios na sensibilidade, miniaturização e otimização do fator de qualidade (fator Q) para detectar pequenas mudanças em fluidos complexos como^{urina 3}.

Avanços recentes empregaram várias geometrias de ressonadores, como ressonadores complementares de anel dividido (CSRRs) e estruturas fractais, para aprimorar o desempenho dos^{sensores 4}. No entanto, alcançar alta sensibilidade com um projeto simples e de baixo custo continua sendo um obstáculo^{significativo 5}. O sensor descrito aqui resolve essas limitações combinando um CSI e IDC com um mecanismo óptico^{único de controle 6}. A inclusão de uma LDR permite que o desempenho RF do sensor seja modulado pela transparência óptica da amostra de urina, que se correlaciona com a concentração de^{ureia 7}. Isso cria um mecanismo de transdução inovador que converte uma propriedade bioquímica em um sinal de^{micro-ondas mensurável 8}.

Este artigo fornece um protocolo detalhado e passo a passo para construir e operar este sensor de micro-ondas^{controlado opticamente 9}. Abordamos a justificativa do projeto, configuração da simulação, processo de fabricação, procedimento de calibração e método de análise de dados, incluindo o uso de um algoritmo de aprendizado de máquina para interpretação de^{resultados 10}. Os resultados representativos demonstram a eficácia do sensor na detecção dos níveis de ureia em amostras de urina humana, destacando seu potencial para aplicações diagnósticas no ponto de atendimento¹¹.

Ao longo deste estudo, a concentração de ureia é expressa em unidades de mg/mol/cm³ para refletir a métrica de concentração normalizada derivada do mecanismo de transdução do sensor, que relaciona a atenuação óptica por unidade de comprimento de caminho (cm) à concentração molar de ureia (mol) normalizada por massa (miligramas⁾¹². Para facilitar a comparação com a literatura clínica padrão, essa unidade pode ser convertida para unidades convencionais da seguinte forma: uma concentração de ureia de 1 mg/mol/cm³ corresponde aproximadamente a 1 mg/dL ao considerar o comprimento padrão do caminho de medição, ou equivalentemente 0,166 mmol/L dado o peso molecular da ureia (60,06 g/mol)¹³. A faixa de concentração investigada neste estudo (150–450 mg/mol/^{cm 3}) corresponde a níveis clinicamente relevantes de ureia de 150–450 mg/dL, que abrangem valores fisiológicos normais (aproximadamente 200–400 mg/dL) e elevações^{leves de 14}. Esse alinhamento garante que os achados sejam interpretáveis dentro do contexto da prática biomédica^{padrão 15}.

O design proposto do sensor é motivado pela necessidade de um método de detecção de ureia de baixo custo, não invasivo e em tempo real, que aborde limitações nas abordagens existentes de detecção por micro-ondas, que normalmente dependem exclusivamente das variações de permissividade dielétrica e frequentemente exigem calibração^{complexa 16}. A novidade deste trabalho reside na integração de três elementos de design distintos que, coletivamente, possibilitam um mecanismo de transdução óptica para^{micro-ondas direta e linear 17}. Primeiro, a combinação de um indutor circular em espiral (CSI) e um capacitor interdigital (IDC) forma uma estrutura ressonante de alto Q que concentra o campo eletromagnético na região de detecção, aumentando a sensibilidade a pequenas mudanças no meio^{ao redor 18}. Segundo, a incorporação de stubs fractais de Hilbert na junção CSI-IDC minimiza os efeitos de difração e otimiza o ajuste de impedância, melhorando a estabilidade e repetibilidade da^{medição 19}. Terceiro, e mais significativo, a introdução de um LDR como elemento transdutor controlado opticamente representa uma ruptura com os sensores convencionais de micro-ondas; em vez de depender apenas das propriedades dielétricas da amostra, a LDR permite que a resposta RF do sensor seja modulada pela transparência óptica da amostra de urina, que se correlaciona com a concentração de^{ureia 20}. Isso cria uma via híbrida de transdução óptica-micro-ondas que traduz uma propriedade bioquímica diretamente em um deslocamento quantificável de S₂₁ em uma frequência de ressonância^{fixa 21}. Até onde sabemos, este trabalho representa a primeira demonstração de um sensor de micro-ondas controlado opticamente para detecção de ureia, que combina um LDR com um ressonador aprimorado por fractais CSI-IDC para alcançar uma leitura linear direta, posicionando o sensor proposto como uma plataforma promissora para diagnósticos não invasivos e em tempo real no ponto^{de atendimento 22}.

O mecanismo de transdução do sensor baseia-se em um caminho híbrido óptico-micro-ondas no qual a LDR traduz a transparência óptica da urina — inversamente correlacionada com a concentração de ureia — em um deslocamento quantificável em |S₂₁| modulando a carga de impedância do ressonador²³ do indutor circular espiral-capacitor interdigital (CSI-IDC). Essa relação linear simplifica a calibração e permite a leitura em tempo real, distinguindo o projeto proposto dos sensores convencionais de micro-ondas que dependem exclusivamente das variações de permissividade dielétrica. Clinicamente, a ureia urinária é um biomarcador chave para a função renal e o estado de hidratação, com níveis normais variando de 200–400 mg/dL; Desvios podem indicar desidratação, insuficiência renal ou distúrbios metabólicos. O sensor aborda as limitações dos ensaios enzimáticos de padrão ouro — que exigem infraestrutura laboratorial e pessoal treinado — oferecendo medições rápidas (<30 s), de baixo custo e não invasivas usando amostras em escala de microlitros, apoiando seu potencial para aplicações no ponto de^{atendimento 24}.

Protocol

A aprovação ética foi obtida do Conselho de Revisão do IATRC. Todos os procedimentos envolvendo amostras de urina humana estavam em conformidade com os princípios da Declaração de Helsinque. Foi obtido consentimento informado por escrito de todos os participantes, e todas as amostras foram anonimizadas para proteger a confidencialidade.

Projeto de sensores e simulação numérica

O primeiro passo no design de um sensor é executar uma simulação eletromagnética. O CST Microwave Studio é usado para fazer o layout, que inclui um ressonador composto por um indutor circular em espiral (CSI) em série com um capacitor interdigital (IDC). Existe um ponto de conexão para uma relação à distância entre essas partes que permite que elas trabalhem juntas^{opticamente 25}. Para melhorar o desempenho, dois stubs abertos fractais de Hilbert são adicionados à junção CSI-IDC para reduzir a franja e distorção do campo eletromagnético. Uma estrutura de back-loop também é adicionada ao plano terra para tornar a resposta do filtro por rejeição de banda mais estável e melhorar a precisão da^{medição 26}. O projeto funciona melhor em um substrato FR4 padrão e de baixo custo (ε_r≈ 4,3, espessura 1,6 mm) e possui ressonância operacional principal em 1,22 GHz. Usamos software para criar e analisar um modelo equivalente de circuito de elementos agrupados para verificar os parâmetros S simulados. Isso garantiu que os resultados das simulações eletromagnéticas e de circuitos de onda completa fossem os^{mesmos 27}. A escolha do LDR como elemento de transdução óptica foi impulsionada por suas vantagens distintas nessa arquitetura específica de detecção de micro-ondas. Ao contrário dos fotodiodos ou fototransistores, que requerem circuitos complexos de polarização e oferecem uma relação não linear entre corrente e luz, o LDR oferece uma modulação resistiva passiva, linear e de ampla faixa em resposta à intensidade da luz incidente. Esse deslocamento linear na resistência modula diretamente S₂₁ do ressonador de micro-ondas adjacente, sem introduzir ruído ativo do circuito ou exigir condicionamento adicional do sinal. Além disso, o baixo custo, o tamanho compacto e a integração perfeita do LDR com o substrato FR4 — que não requer linhas externas de polarização — estão alinhados com o objetivo geral de design de um sensor de ponto de atendimento simples, de baixo custo e não invasivo.

Para contextualizar o sensor proposto dentro do cenário mais amplo das tecnologias de detecção de ureia, é necessária uma breve comparação com métodos estabelecidos. Ensaios bioquímicos, como o método enzimático da ureasa, representam o padrão de ouro clínico, oferecendo alta precisão e sensibilidade (limites de detecção tão baixos quanto 1–5 mg/dL), mas exigindo equipamentos laboratoriais especializados, pessoal treinado e tempos típicos de resposta de 30–60 min, limitando sua utilidade em ambientes de atendimento. Tiras de teste enzimáticas oferecem uma alternativa rápida (2–5 min), de baixo custo e semi-quantitativa, adequada para uso doméstico; no entanto, eles dependem da interpretação colorimétrica, que pode ser subjetiva, e oferece sensibilidade limitada para medição precisa da concentração. Sensores eletroquímicos, incluindo biosensores de ureia amperométrica e potenciométrica, alcançam alta sensibilidade e possibilitam detecção em tempo real, mas frequentemente exigem fabricação complexa de eletrodos e imobilização enzimática, além de sofrerem problemas de estabilidade devido à degradação enzimática ao longo do tempo. Em contraste, o sensor de micro-ondas controlado opticamente proposto oferece uma combinação única de atributos: acoplamento óptico não invasivo elimina o contato direto da amostra com elementos sensoriais, reduzindo o risco de contaminação; o tempo de medição é inferior a 30 segundos; a fabricação em substrato FR4 de baixo custo minimiza custos; e a relação linear entre concentração de ureia e perda de inserção (S₂₁) simplifica a calibração. Embora a sensibilidade atual (1,42 × ^10-4 por mg/mol/^{cm 3}) seja adequada para a classificação categórica dos intervalos clinicamente relevantes de ureia (150–450 mg/dL), otimizações adicionais podem aumentar os limites de detecção comparáveis aos equivalentes eletroquímicos. No geral, o sensor ocupa um nicho complementar, priorizando simplicidade, rapidez e portabilidade para aplicações no ponto de atendimento, onde a precisão de nível laboratorial não é essencial.

Fabricação de sensores

A fotolitografia padrão transfere o design final para uma placa FR4 revestida de cobre de um só lado. Uma fotomáscara de alta resolução é usada para criar o padrão do sensor em um substrato laminado com fotorresiste. O padrão é então desenvolvido e gravado em uma solução de cloreto férrico (FeCl₃). Após a gravação e limpeza, os conectores SubMiniature versão A (SMA) são cuidadosamente soldados nas portas microstrip de entrada e saída para que equipamentos de medição possam ser^{conectados a 28}. Esse processo cria um sensor funcional e de perfil baixo que está pronto para teste.

Configuração experimental e calibração

Usando cabos coaxiais de alta qualidade, o sensor fabricado é conectado a um analisador de rede vetorial (VNA), semelhante a uma série Agilent PNA. Usando um kit mecânico de calibração, uma calibração completa de duas portas (Aberto, Curto, Carga, Atravessante) é feita nas extremidades do cabo para eliminar erros sistemáticos de medição. Para medir os parâmetros S do sensor, o VNA é configurado para varrer de 0,1 GHz para 4 GHz com uma potência de saída de -10 dBm²⁹.

Procedimento de preparação e medição da amostra de urina

Os participantes que concordam em fornecer suas amostras de urina são solicitados a fazê-lo. Uma plataforma de teste fixa é montada para medição: uma LDR é colocada diretamente abaixo de uma lâmina de vidro limpa que fica centralizada sobre a região ativa do sensor. Primeiro, uma medição de base de S₂₁ é feita com a LDR iluminada por uma fonte de luz de intensidade constante e sem amostra presente. Em seguida, uma gota de urina de 0,01 mL é pipetada no meio da lâmina de vidro. O espectro S₂₁ é registrado novamente com a mesma quantidade de luz. As propriedades ópticas da amostra, que dependem da ureia, alteram a resistência da LDR, o que causa uma alteração mensurável no |S₂₁| a 1,22 GHz³⁰. Para evitar contaminação cruzada, a lâmina de vidro é limpa com água destilada e etanol entre cada medição da amostra. Amostras frescas de urina foram coletadas de dez voluntários saudáveis (cinco homens, cinco mulheres; de 25 a 45 anos). As concentrações basais de ureia, medidas por meio de um analisador de química clínica, variaram de 150 a 450 mg/dL. Para estabelecer uma faixa de teste controlada, as amostras foram categorizadas em três grupos de concentração: baixa (150–250 mg/dL), intermediária (251–350 mg/dL) e alta (351–450 mg/dL), com dez amostras por categoria. Todas as amostras foram analisadas em até 2 horas após a coleta, armazenadas a 4 °C quando não em uso e equilibradas à temperatura ambiente antes da medição. Uma alíquota de 0,01 mL foi aplicada a uma lâmina de vidro limpa para cada teste, com lâminas limpas usando etanol 70% e água destilada entre as medições para evitar contaminação^{cruzada 30}.

Aquisição e análise de dados

A principal informação retirada de cada medição é o tamanho de S₂₁ (em dB) na ressonância de 1,22 GHz. Esse conjunto de dados é usado para ensinar um algoritmo K-Nearest Neighbors (KNN) que roda em um programa como o MATLAB. O modelo usa a magnitude S₂₁ para dividir os níveis de ureia em grupos como "baixo", "intermediário" e "alto^"31. Além disso, a sensibilidade de concentração do sensor pode ser medida plotando a mudança em |S₂₁| (Δ|S₂₁|) contra a variação na concentração de ureia (ΔC). A inclinação dessa relação linear, C = ΔS / ΔC, mostra a sensibilidade. Para avaliar a robustez do sensor e a confiabilidade da medição, foi realizado um estudo de repetibilidade com 45 medições por categoria de concentração de ureia (baixa: 150–250 mg/dL, intermediária: 251–350 mg/dL, alta: 351–450 mg/dL) ao longo de três dias independentes, totalizando 135 medições. O coeficiente de variação variou de 0,67% a 1,07% em todas as categorias, indicando excelente repetibilidade na medição. A incerteza da medição foi quantificada seguindo o framework Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM), combinando a incerteza do Tipo A (variação estatística de medições repetidas) com contribuições do Tipo B da calibração VNA (±0,05 dB), flutuações de temperatura (±0,01 dB/°C) e variações de posicionamento da amostra (±0,02 dB). A incerteza expandida (k=2, intervalo de confiança de 95%) variou de ±0,38 dB a ±0,56 dB, dependendo da categoria de concentração. A sensibilidade à concentração, derivada da regressão linear de Δ|S₂₁| versus ΔC, foi calculado como 1,42 × ^10-4 por (mg/mol/cm³), com um intervalo de confiança de 95% de 1,35 × ^10-4 a 1,49 × ^10-4 por (mg/mol/^{cm 3}) e um coeficiente de determinação (R²) de 0,94. A incerteza relativa expandida na sensibilidade foi de ±6,2% (k = 2), confirmando que a sensibilidade relatada é estatisticamente robusta e o sensor demonstra desempenho reprodutível adequado para aplicações no ponto de atendimento.

Results

Após a fabricação projetada e apresentada na Figura 1, o desempenho do sensor foi primeiro fabricado, veja a Figura 2, e validado sem nenhuma amostra. Os parâmetros S medidos mostraram excelente concordância com os resultados simulados, com ressonância primária em 1,22 GHz e S₂₁ atingindo -27 dB, como mostrado na Figura 2. As pequenas discrepâncias (<5%) são atribuídas às tolerâncias de f...

Discussion

O protocolo descreve o desenvolvimento bem-sucedido de um inovador sensor de micro-ondas controlado opticamente, especificamente projetado para a detecção de ureia na urina humana. Aspectos-chave do protocolo envolvem o design meticuloso dos stubs fractais de Hilbert para otimizar a distribuição do campo eletromagnético e garantir a colocação consistente das amostras de urina em uma lâmina de vidro sobre LDR, facilitando o acoplamento óptico reproduzível. Os resultados destacam a eficáci...

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Estúdio de Micro-ondas CST	Dassault Systè mes	2023	Simulação eletromagnética de onda completa
Multímetro digital	Acaso	87V	Para verificação de resistência
Água destilada	Fornecedor local	N/A	Para diluição e limpeza da amostra
Banho de gravura	Genérico	N/A	Temperatura controlada, 50&º; C
Etanol (70%)	Merck	100983	Para limpeza de lâminas de vidro
Cloreto férrico (FeCl3)	Sigma-Aldrich	157740	Solução 0,5 M, agente de gravação
Laminado FR4 revestido a cobre	Genérico	N/A	De um só lado, 1,6 mm de espessura, ε r 4.3
Slides de vidro	Corning	2947-75X25	75 mm e tempos; 25 mm e tempos; 1 mm, para colocação da amostra
Placa quente	Genérico	N/A	Para desenvolvimento e cura
Fonte de luz	LED genérico	N/A	LED branco, temperatura de cor de 6000 K, intensidade fixa de 1000 lux
Resistor dependente da luz (LDR)	Genérico (GL5528)	GL5528	Resistência: 10 kΩ (luz), 1 MΩ (escuro); Diâmetro de 5 mm
MATLAB	MathWorks	R2023b	análise de dados e classificação de KNN; Caixa de Ferramentas de Estatística e Aprendizado de Máquina
Kit de calibração mecânica	Agilent	85052D	Aberto, curto, carga, passando (OSLT) para calibração de duas portas
Micropipeta	Eppendorf	3120000062	0,5&ntraço; 10 & micro; Faixa de volume L
Microsoft Excel	Microsoft	Escritório 365	Registro e análise de dados
Osciloscópio	Tektronix	TBS1052B	Para medição de tensão de saída do retificador
Fotomáscara	Costume	N/A	Máscara cromada de alta resolução com padrão de sensor
Fotorresiste	Microquímica	SU-8 2000	Fotorresiste negativo para fotolitografia
Pontas de pipeta	Eppendorf	30015.119	0,01– 10 & micro; L, estéril
Recipientes de amostras de polipropileno	Thermo Fisher	342020-0030	Recipientes estéreis de 30 mL
Circuito retificador de RF	Costume	N/A	À base de diodos Schottky; converte RF em tensão DC
Conector de lançamento de borda fêmea SMA	Amphenol RF	132169	50 Ω, para conexão microstrip
Ureia (para picar)	Sigma-Aldrich	U5128	Grau farmacêutico, ≥ 99,5% de pureza
Sistema de exposição UV	Karl Suss	MA6	Tempo de exposição: 120 s
Analisador de redes vetoriais (VNA)	Agilent	Série PNA	Faixa de frequência: 0,1 e traço; 4 GHz, largura de banda IF: 100 Hz, pontos de varredura: 1001