$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Etik onay IATRC İnceleme Kurulu'ndan alındı. İnsan idrarı örneklerini içeren tüm prosedürler, Helsinki Bildirgesi'nin ilkelerine uygundu. Tüm katılımcılardan yazılı bilgilendirilmiş onay alındı ve gizliliği korumak için tüm örnekler anonimleştirildi.
Sensör tasarımı ve sayısal simülasyon
Bir sensör tasarımının ilk adımı elektromanyetik bir simülasyon çalıştırmaktır. CST Mikrodalga Stüdyosu, düzeni yapmak için kullanılır; bu düzen, seri olarak dairesel spiral indüktör (CSI) ile dijital arası kondansatörler (IDC) içeren bir rezonatör içerir. Bu parçalar arasında bir uzak mesafeli bağlantı noktası var ve bu bağlantı optik olarak birlikte çalışmalarınısağlıyor. Performansı artırmak için, elektromanyetik alan saçaklanması ve bozulmayı azaltmak amacıyla CSI-IDC birleşimine iki Hilbert fraktal açık stub eklenmiştir. Ayrıca, bant-reddetme filtre yanıtını daha kararlı hale getirmek ve ölçüm doğruluğunu artırmak için toprak düzlemine bir geri döngü yapısıeklenir 26. Tasarım, standart, düşük maliyetli bir FR4 alt tabakasında (εr≈ 4.3, kalınlık 1.6 mm) en iyi şekilde çalışır ve ana operasyonel rezonansı 1.22 GHz'dir. Simüle edilen S-parametrelerini kontrol etmek için eşdeğer bir toplu elemanlı devre modeli oluşturmak ve analiz etmek için yazılım kullandık. Bu, tam dalga elektromanyetik ve devre simülasyonlarının sonuçlarının aynı27 olmasını sağladı. LDR'nin optik dönüştürücü eleman olarak seçilmesi, bu özel mikrodalga algılama mimarisindeki belirgin avantajlarından kaynaklandı. Karmaşık önyargı devreleri gerektiren ve doğrusal olmayan akım-ışık ilişkisi sunan fotodiyotlar veya fototransistörlerin aksine, LDR gelen ışık yoğunluğuna yanıt olarak pasif, doğrusal ve geniş aralıklı dirençli modülasyon sağlar. Bu doğrusal direnç kayması, aktif devre gürültüsü oluşturmadan veya ek sinyal koşullandırması gerektirmeden bitişik mikrodalga rezonatörünün S21'ini doğrudan modüle eder. Ayrıca, uzak mesafeli mesafenin düşük maliyeti, kompakt ayak alanı ve FR4 alt tabakasıyla kusursuz entegrasyonu—harici önyargı hatları gerektirmeden—basit, düşük maliyetli ve invaziv olmayan bir bakım noktası sensörü olan genel tasarım hedefiyle uyumludur.
Önerilen sensörü üre tespit teknolojilerinin daha geniş dünyasında bağlamlandırmak için, yerleşik yöntemlerle kısa bir karşılaştırma gerekmektedir. Enzimatik ureaz yöntemi gibi biyokimyasal testler, klinik altın standartı temsil eder; yüksek hassasiyet ve hassasiyet sunar (tespit sınırları 1–5 mg/dL kadar düşük) ancak özel laboratuvar ekipmanı, eğitimli personel ve tipik 30–60 dakikalık teslim süreleri gerektirir; bu da bakım noktasındaki ortamlarda faydalarını sınırlar. Enzimatik test şeritleri, evde kullanım için uygun hızlı (2–5 dakika), düşük maliyetli, yarı nicel bir alternatif sunar; ancak bu yorumlar öznel olabilen kolorimetrik yoruma dayanır ve hassas konsantrasyon ölçümü için sınırlı hassasiyet sunar. Amperometrik ve potansiyometrik üre biyosensörleri dahil olmak üzere elektrokimyasal sensörler, yüksek hassasiyet sağlar ve gerçek zamanlı algılama sağlar; ancak genellikle karmaşık elektrot üretimi ve enzim immobilizasyonu gerektirir ve zamanla enzim bozulması nedeniyle stabilite sorunları yaşarlar. Buna karşılık, önerilen optik kontrollü mikrodalga sensörü benzersiz bir özellik kombinasyonu sunar: invaziv olmayan optik bağlantı algılama elemanlarıyla doğrudan numune temasını ortadan kaldırarak kirlenme riskini azaltır; ölçüm süresi 30 saniyenin altındadır; düşük maliyetli FR4 altlık üzerine üretim maliyeti en aza indirir; ve üre konsantrasyonu ile yerleşim kaybı (S21) arasındaki doğrusal ilişki kalibrasyonu basitleştirir. Mevcut hassasiyet (1.42 × 10-4 mg/mol/cm3) klinik olarak önemli üre aralıklarının (150–450 mg/dL) kategorik sınıflandırılması için uygundur, ancak daha fazla optimizasyon elektrokimyasal muadillerle karşılaştırılabilir tespit sınırlarını artırabilir. Genel olarak, sensör tamamlayıcı bir niş oluşturur ve laboratuvar düzeyinde hassasiyetin gerekli olmadığı bakım noktası uygulamaları için sadelik, hız ve taşınabilirliği önceliklendirir.
Sensör üretimi
Standart fotolitografi, bitmiş tasarımı tek taraflı bakır kaplamalı FR4 kartına taşır. Yüksek çözünürlüklü bir fotomaske, fotorezist ile lamine edilmiş bir alt alt tabaka üzerinde sensör desenini oluşturmak için kullanılır. Daha sonra desen geliştirilir ve ferrik klorür (FeCl₃) çözeltisine kazılır. Aşındırma ve temizlikten sonra, SubMiniature versiyon A (SMA) konnektörleri giriş ve çıkış mikroşerit portlarına dikkatlice lehimlenir ki ölçümekipmanı 28 bağlanabilsin. Bu süreç, test için hazır olan, düşük profilli bir sensör oluşturur.
Deneysel kurulum ve kalibrasyon
Yüksek kaliteli koaksiyel kablolar kullanılarak, oluşturulan sensör Agilent PNA serisi gibi bir vektör ağ analizörüne (VNA) bağlanır. Mekanik kalibrasyon kiti kullanılarak, kablonun uçlarında tam iki portlu kalibrasyon (Open, Short, Load, Through) yapılır ve sistematik ölçüm hataları giderilir. Sensörün S-parametrelerini ölçmek için VNA, 0.1 GHz'den 4 GHz'e kadar süpürülecek şekilde ayarlanmış ve -10 dBm29 çıkış gücü vardır.
İdrar örneği hazırlama ve ölçüm prosedürü
İdrar örneklerini vermeyi kabul eden katılımcılardan bunu yapmaları istenir. Ölçüm için sabit bir test platformu kurulur: bir LDR, sensörün aktif bölgesinin ortasında tam olarak temiz bir cam slaytın altına yerleştirilir. İlk olarak, LDR sabit yoğunlukta ve örnek olmadan ışıklandırılmış bir S21 ölçümü alınır. Sonrasında, cam kaydırağın ortasına 0.01 mL idrar damlası pipet edilir. S21 spektrumu aynı ışık miktarıyla tekrar kaydedilir. Numunenin üre'ye bağlı optik özellikleri, LDR'nin direncini değiştirir ve bu da sensörün |S21| 1.22 GHz30'da. Çapraz kontaminasyonu önlemek için, cam kaydırak her örnek ölçümü arasında damıtılmış su ve etanol ile temizlenir. On sağlıklı gönüllüden (beş erkek, beş kadın; 25–45 yaş arası) taze idrar örnekleri alındı. Klinik kimya analizörüyle ölçülen temel üre konsantrasyonları 150 ila 450 mg/dL arasında değişiyordu. Kontrollü test aralığı belirlemek için örnekler üç konsantrasyon grubuna ayrıldı: düşük (150–250 mg/dL), orta (251–350 mg/dL) ve yüksek (351–450 mg/dL), her kategoride on örnek bulunmakta. Tüm örnekler toplandıktan sonra 2 saat içinde analiz edildi, kullanılmadığında 4 °C'de saklandı ve ölçüm öncesi oda sıcaklığında dengelendi. Her test için temiz cam slayta 0.01 mL aliquot uygulandı; ölçümler arasında çapraz kirlenme önlemek için slaytlar %70 etanol ve damıtılmış su kullanılaraktemizlendi.
Veri toplama ve analiz
Her ölçümden elde edilen ana bilgi, 1.22 GHz rezonansındaki S21'in (dB) boyutudur. Bu veri seti, MATLAB gibi bir programda çalışan K-En Yakın Komşular (KNN) algoritmasını öğretmek için kullanılır. Model, üre seviyelerini "düşük", "orta" ve "yüksek"31 gibi gruplara ayırmak için S21 büyüklüğünü kullanır. Ayrıca, sensörün konsantrasyon hassasiyeti, değişimin haritalandırılmasıyla ölçülebilirS21| (Δ|S21|) urea konsantrasyonundaki (ΔC) değişime karşı bu duruma karşı gelir. Bu doğrusal ilişkinin eğimi, C = ΔS / ΔC, hassasiyeti gösterir. Sensör dayanıklılığını ve ölçüm güvenilirliğini değerlendirmek için, üç bağımsız gün boyunca üre konsantrasyon kategorisi başına 45 ölçümle (düşük: 150–250 mg/dL, orta ara: 251–350 mg/dL, yüksek: 351–450 mg/dL) bir tekrarlanabilirlik çalışması yapıldı ve toplamda 135 ölçüm yapıldı. Varyasyon katsayısı tüm kategorilerde %0,67 ile %1,07 arasında değişmekte olup, mükemmel ölçüm tekrarlanabilirliğini göstermektedir. Ölçüm belirsizliği, Ölçümde Belirsizliğin İfadesi Rehberi (GUM) çerçevesine göre nicelendirildi; Tip A belirsizliği (tekrarlanan ölçümlerden istatistiksel farklılık) VNA kalibrasyonu (±0,05 dB), sıcaklık dalgalanmaları (±0,01 dB/°C) ve örnek konumlandırma varyasyonları (±0,02 dB) katkılarıyla birleştirildi. Genişletilmiş belirsizlik (k=2, %95 güven aralığı) konsantrasyon kategorisine bağlı olarak ±0,38 dB'den ±0,56 dB'ye kadar değişiyordu. Konsantrasyon hassasiyeti, Δ|S21| ΔC'ye karşı 1,42 × 10-4 (mg/mol/cm3) olarak hesaplandı; %95 güven aralığı 1,35 × 10-4 ile 1,49 ×arasında 10-4 (mg/mol/cm 3) arasında ve belirlenme katsayısı (R 2) 0,94 idi. Hassasiyetteki göreceli genişlemiş belirsizlik %6,2 ± (k = 2) olup, bildirilen hassasiyetin istatistiksel olarak sağlam olduğunu ve sensörün bakım noktası uygulamaları için uygun tekrarlanabilir performans sergilediğini doğrulamaktadır.