用于尿液尿素水平检测的光控微波传感器的制备与测试

摘要

本方案介绍了一种低成本、光学控制的微波传感器，用于检测尿素。该传感器利用光敏电阻和分形设计，将尿液的光学特性转化为线性的射频阻抗响应。尽管基于FR4的设计在即时检测方面展现出应用潜力，但未来的研究仍需采用低损耗材料，并对便携式系统进行临床验证。

摘要

监测尿液中的尿素水平对于评估肾功能和水合状态至关重要。目前的方法通常依赖于侵入性、成本较高或耗时的生化检测，不适合即时检测或连续监测。本方案描述了一种新型低成本、高灵敏度微波传感器的制备与测试方法，该传感器专用于尿素浓度检测。该传感器在FR4基板上集成了圆形螺旋电感器（CSI）、叉指电容器（IDC）和光敏电阻（LDR），工作谐振频率为1.22 GHz。其关键创新在于通过LDR实现光学控制：当固定光源穿过尿液样本照射LDR时，传感器的插入损耗（S₂₁）会随尿素浓度呈线性且可量化的调制。该设计采用了背向环形走线和希尔伯特分形支节，以最小化衍射效应并增强阻抗匹配，从而提高测量精度。我们详细介绍了使用CST微波工作室进行的传感器数值仿真、通过化学蚀刻法实现的制备过程，以及利用人尿样本进行的实验验证。结果表明，随着尿素浓度的变化，S₂₁参数呈现出一致且可重复的偏移，并通过神经网络模型对数据分类进行了确认。该传感器为无创、实时的生物医学诊断提供了一种有前景的工具。

引言

由于微波传感技术具有接触需求少、可无损穿透以及使用非电离电磁波的安全特性，已成为生物材料无创表征的有力工具¹。尿液等体液的介电特性受其化学成分（包括尿素浓度）的影响，因此可通过微波传播特性的变化进行检测²。尽管已有传统微波传感器，但在检测尿液等复杂液体中微小变化时，常面临灵敏度、微型化以及品质因数（Q因子）优化等方面的挑战³。

近年来，研究人员已采用多种谐振器结构，如互补开口环谐振器（CSRRs）和分形结构，以提升传感器性能⁴。然而，实现高灵敏度的同时保持结构简单且成本低廉，仍是一个重大挑战⁵。本文所述传感器通过将CSI与IDC结合，并引入一种独特的光学控制机制，克服了这些局限⁶。通过集成光敏电阻（LDR），传感器的射频性能可受尿液样本光学透明度的调控，而透明度与尿素浓度相关⁷。这形成了一种新颖的转导机制，可将生化特性转化为可测量的微波信号⁸。

本文提供了一种用于构建和操作该光学控制微波传感器的详细分步实验方案⁹。我们涵盖了设计原理、仿真设置、制备流程、校准程序以及数据分析方法，包括使用机器学习算法对结果进行解释¹⁰。代表性结果展示了该传感器在检测人尿液样本中尿素水平方面的有效性，凸显了其在即时诊断应用中的潜力¹¹。

在整个研究过程中，尿素浓度以 mg/mol/cm³ 为单位表示，以反映由传感器转导机制导出的归一化浓度度量。该机制将单位光程长度（cm）的光衰减与尿素的摩尔浓度（mol）按质量（毫克）归一化相关联¹²。为了便于与标准临床文献进行比较，该单位可转换为常规单位：在考虑标准测量光程长度时，1 mg/mol/cm³ 的尿素浓度约相当于 1 mg/dL，或根据尿素的分子量（60.06 g/mol）换算为 0.166 mmol/L¹³。本研究考察的浓度范围（150–450 mg/mol/cm³）对应于临床上相关的尿素水平 150–450 mg/dL，涵盖正常生理值（约 200–400 mg/dL）以及轻度升高水平¹⁴。这种对应关系确保了研究结果可在标准生物医学实践的背景下进行解释¹⁵。

提出该传感器设计的动机是需要一种低成本、非侵入性且可实时检测尿素的方法，以解决现有微波传感技术的局限性。传统微波传感方法通常仅依赖介电常数的变化，且往往需要复杂的校准过程¹⁶。本研究的创新之处在于整合了三个不同的设计要素，共同实现了一种直接且线性的光-微波转导机制¹⁷。首先，圆形螺旋电感器（CSI）与叉指电容器（IDC）的组合构成了一种高Q值谐振结构，可将电磁场集中于传感区域，从而增强对周围介质微小变化的灵敏度¹⁸。其次，在CSI-IDC连接处引入Hilbert分形支节，可最小化衍射效应并优化阻抗匹配，提高测量的稳定性和重复性¹⁹。第三，也是最重要的一点，引入光敏电阻（LDR）作为光学控制的转导元件，标志着与传统微波传感器的根本区别；该设计不再仅仅依赖样本的介电特性，而是利用尿液样本的光学透明度（与尿素浓度相关）来调节传感器的射频响应²⁰。这建立了一种混合型光-微波转导通路，将生化特性直接转化为固定谐振频率下S₂₁的可量化偏移²¹。据我们所知，本研究首次展示了将LDR与CSI-IDC分形增强谐振器相结合，用于尿素检测的光学控制微波传感器，实现了直接线性读出，使所提出的传感器成为一种具有前景的非侵入性、实时床旁诊断平台²²。

该传感器的转导机制依赖于一种混合光学-微波通路，其中光敏电阻（LDR）通过调节圆形螺旋电感-叉指电容器（CSI-IDC）谐振器的阻抗负载，将尿液的光学透明度（与尿素浓度呈负相关）转化为可量化的|S₂₁|偏移²³。这种线性关系简化了校准过程，并实现实时读出，使本设计区别于仅依赖介电常数变化的传统微波传感器。在临床上，尿液尿素是评估肾功能和水合状态的关键生物标志物，正常浓度范围为200–400 mg/dL；其水平异常可能提示脱水、肾功能损害或代谢紊乱。该传感器克服了金标准酶法检测的局限性——后者需要实验室设备和专业人员——仅需微升级样本即可实现快速（<30 s）、低成本、无创测量，因而具备用于即时检测的潜力²⁴。

方案

伦理批准由IATRC审查委员会获得。所有涉及人类尿液样本的程序均遵循《赫尔辛基宣言》的原则。已从所有参与者处获得书面知情同意，且所有样本均匿名化以保护其机密性。

传感器设计与数值模拟

设计传感器的第一步是进行电磁仿真。使用 CST Microwave Studio 进行布局设计，该布局包含一个由圆形螺旋电感器（CSI）与叉指电容器（IDC）串联构成的谐振器。在这两个部分之间设有光敏电阻（LDR）的连接点，使其能够实现光学协同工作²⁵。为了提升性能，在 CSI-IDC 结点处添加了两个 Hilbert 分形开路支节，以减少电磁场边缘效应和失真。同时，在接地平面上增加了一个背环结构，以使带阻滤波器响应更加稳定，并提高测量精度²⁶。该设计在标准的低成本 FR4 基板（ε_r≈ 4.3，厚度 1.6 mm）上表现最佳，主工作谐振频率为 1.22 GHz。我们使用软件建立并分析了等效集总元件电路模型，以验证仿真得到的 S 参数。这确保了全波电磁仿真与电路仿真的结果一致²⁷。选择光敏电阻作为光学换能元件，是基于其在此特定微波传感架构中的显著优势。与需要复杂偏置电路且具有非线性光电流关系的光电二极管或光电晶体管不同，光敏电阻能够被动地、线性地并在宽范围内根据入射光强度调节电阻值。这种电阻的线性变化可直接调制邻近微波谐振器的 S₂₁ 参数，而不会引入有源电路噪声或需要额外的信号调理。此外，光敏电阻成本低、体积小，并可无缝集成于 FR4 基板上，无需外接偏置线路，符合整体设计对简单、低成本、非侵入式即时检测传感器的目标。

为了将所提出的传感器置于尿素检测技术的更广泛背景下，有必要将其与现有方法进行简要比较。生化检测方法（如酶法脲酶法）是临床检测的金标准，具有高准确性和高灵敏度（检测限低至1–5 mg/dL），但需要专用的实验室设备、专业技术人员以及通常30–60分钟的检测周期，限制了其在即时检测场景中的应用。酶法试纸条提供了一种快速（2–5分钟）、低成本、半定量的替代方案，适用于家庭使用；然而，其依赖比色法判读，结果可能具有主观性，且在精确浓度测量方面的灵敏度有限。电化学传感器（包括安培型和电位型尿素生物传感器）具有高灵敏度并可实现实时检测，但通常需要复杂的电极制备和酶固定化过程，且由于酶随时间降解而存在稳定性问题。相比之下，所提出的光控微波传感器具有一系列独特优势：非侵入式光学耦合避免了检测元件与样本的直接接触，降低了污染风险；检测时间少于30秒；在低成本FR4基板上制备，显著降低了成本；尿素浓度与插入损耗（S₂₁）之间的线性关系简化了校准过程。尽管当前灵敏度（1.42 × 10^-4 每 mg/mol/cm³）适用于临床相关尿素浓度范围（150–450 mg/dL）的类别划分，但进一步优化有望使检测限达到与电化学传感器相当的水平。总体而言，该传感器占据了一个互补性的细分定位，优先考虑在无需实验室级精度的即时检测应用中实现简便性、快速性和便携性。

传感器制备

标准光刻工艺将完成的设计转移至单面覆铜的FR4电路板上。使用高分辨率的光掩模在已涂覆光刻胶的基底上制作传感器图案。随后在氯化铁（FeCl₃）溶液中对图案进行显影和刻蚀。刻蚀并清洗后，将SMA（SubMiniature version A）连接器仔细焊接到输入和输出微带端口，以便连接测量设备²⁸。该工艺制得一个可正常工作的低剖面传感器，可用于后续测试。

实验设置与校准

使用高质量的同轴电缆将制备的传感器连接至矢量网络分析仪（VNA），例如 Agilent PNA 系列。利用机械校准套件，在电缆末端执行完整的双端口校准（开路、短路、负载、直通），以消除系统性测量误差。为测量传感器的 S 参数，将 VNA 设置为从 0.1 GHz 扫频至 4 GHz，输出功率为 -10 dBm²⁹。

尿液样本制备与检测流程

同意提供尿液样本的受试者将被要求提供样本。实验设置一个固定的测试平台：将一个LDR放置在洁净的玻璃载片正下方，玻璃载片的中心对准传感器的活性区域。首先，在无样本的情况下，用强度恒定的光源照射LDR，记录基线S₂₁测量值。然后，用移液器将0.01 mL尿液滴加到玻璃载片中央。在相同光照条件下再次记录S₂₁谱。样本的光学性质随尿素浓度变化而改变LDR的电阻，从而导致传感器在1.22 GHz处的|S₂₁|产生可测量的变化³⁰。为避免交叉污染，每次测量后均用蒸馏水和乙醇清洗玻璃载片。从十名健康志愿者（五名男性，五名女性；年龄25–45岁）收集了新鲜尿液样本。通过临床化学分析仪测得的基线尿素浓度范围为150至450 mg/dL。为建立受控的测试范围，将样本分为三组浓度：低浓度组（150–250 mg/dL）、中浓度组（251–350 mg/dL）和高浓度组（351–450 mg/dL），每组十份样本。所有样本均在采集后2小时内完成分析，未使用时储存于4 °C，并在测量前恢复至室温。每次测试时将0.01 mL样本滴加至洁净的玻璃载片上，每次测量之间使用70%乙醇和蒸馏水清洗载片，以防止交叉污染³⁰。

数据采集与分析

从每次测量中获取的主要信息是 1.22 GHz 谐振频率下 S₂₁（以 dB 为单位）的大小。该数据集用于训练在 MATLAB 等程序中运行的 K-近邻（KNN）算法。该模型利用 S₂₁ 幅值将尿素水平划分为“低”、“中”和“高”三类""""""³¹。此外，可通过绘制 |S₂₁| 的变化量（Δ|S₂₁|）与尿素浓度变化量（ΔC）之间的关系来测量传感器的浓度灵敏度。该线性关系的斜率 C = ΔS / ΔC 表示灵敏度。为评估传感器的稳健性和测量可靠性，在三个独立的测试日中，对每个尿素浓度类别（低：150–250 mg/dL，中：251–350 mg/dL，高：351–450 mg/dL）进行了 45 次测量，共计 135 次测量。所有类别的变异系数范围为 0.67% 至 1.07%，表明测量具有极佳的重复性。测量不确定度依据《测量不确定度表示指南》（GUM）框架进行量化，结合了 A 类不确定度（来自重复测量的统计变异）和 B 类不确定度来源，包括矢量网络分析仪（VNA）校准（±0.05 dB）、温度波动（±0.01 dB/°C）和样品位置变化（±0.02 dB）。扩展不确定度（k=2，95% 置信区间）根据浓度类别在 ±0.38 dB 至 ±0.56 dB 范围内变化。浓度灵敏度通过 Δ|S₂₁| 与 ΔC 的线性回归计算得出，为 1.42 × 10^-4 每（mg/mol/cm³），其 95% 置信区间为 1.35 × 10^-4 至 1.49 × 10^-4 每（mg/mol/cm³），决定系数（R²）为 0.94。灵敏度的相对扩展不确定度为 ±6.2%（k = 2），证实所报告的灵敏度具有统计稳健性，且该传感器表现出可重复的性能，适用于即时检测应用。

结果

按照图1中设计并展示的结构制备传感器后，首先在无任何样品的情况下对传感器性能进行了制备与验证，见图2。测得的S参数与仿真结果表现出极好的一致性，在1.22 GHz处出现主谐振峰，S₂₁达到-27 dB，如图2所示。微小的差异（<5%）归因于加工公差和焊接效应。

传感器对不同尿素浓度的响应清晰可辨。图3展示了不同尿液样本在1.22 GHz频率下S₂₁幅度的可测变化。结果总结于表1，显示出一致的趋势：尿素浓度越高，|S₂₁|的变化越大。

为了将射频测量值转换为更易使用的直流电压，在传感器输出端连接了一个射频整流电路。图4A展示了实验...

讨论

本方案概述了一种创新的光控微波传感器的成功开发过程，该传感器专为检测人体尿液中的尿素而设计。方案的关键步骤包括精心设计希尔伯特分形支节，以优化电磁场分布，并确保尿液样本在玻璃载片上的位置一致地覆盖于光敏电阻（LDR）上方，从而实现可重复的光学耦合。实验结果表明，光敏电阻能够有效将尿液的光学特性（其随尿素浓度变化而变化⁷）转化为变化的射频阻抗。一个显著的发现是S₂₁幅度与尿素浓度之间存在线性相关关系，证明了该传感器的功能有效性。

该传感器采用一种闭环结构，将谐振器的响应转变为带阻配置，与通带谐振相比，具有更高的稳定性和准确性。然而，神经网络评估结果显示，在尿素浓度的中等范围内，分类误差有所增加，构成了一个局限性。这一缺点未来或许可通过扩展训练数据集以改进机器学习应用来解决。此外，尽管使用低成本的FR4基板有助于降低制造成本，但也会引入较高的介电损耗，可能影响传感器最终的品质因数（Q-factor）和灵敏度。未来的改进版本可考虑采用低损耗基板材料（如Rogers材料），以提升整体性能。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CST 微波工作室	Dassault Systèmes	2023	全波电磁仿真
数字万用表	Fluke	87V	用于电阻验证
蒸馏水	本地供应商	N/A	用于样品稀释和清洗
蚀刻浴	通用	N/A	温度可控，50°C
乙醇（70%）	Merck	100983	用于清洗载玻片
氯化铁（FeCl3）	Sigma-Aldrich	157740	0.5 M 溶液，蚀刻剂
FR4 覆铜板	通用	N/A	单面，1.6 mm 厚度，εr 4.3
载玻片	Corning	2947-75X25	75 mm × 25 mm × 1 mm，用于样品放置
加热板	通用	N/A	用于显影和固化
光源	通用 LED	N/A	白光 LED，色温 6000 K，固定光强 1000 lux
光敏电阻（LDR）	通用（GL5528）	GL5528	电阻：10 kΩ（光照下），1 MΩ（黑暗中）；直径 5 mm
MATLAB	MathWorks	R2023b	数据分析与 KNN 分类；统计与机器学习工具箱
机械校准套件	Agilent	85052D	开路、短路、负载、直通（OSLT）双端口校准
微量移液器	Eppendorf	3120000062	0.5–10 µL 体积范围
Microsoft Excel	Microsoft	Office 365	数据记录与分析
示波器	Tektronix	TBS1052B	用于整流器输出电压测量
光掩模	定制	N/A	高分辨率铬掩模，含传感器图案
光刻胶	MicroChem	SU-8 2000	负性光刻胶，用于光刻工艺
移液器吸头	Eppendorf	30015.119	0.01–10 µL，无菌
聚丙烯样品容器	Thermo Fisher	342020-0030	30 mL 无菌容器
射频整流电路	定制	N/A	基于肖特基二极管；将射频信号转换为直流电压
SMA 母头边缘安装连接器	Amphenol RF	132169	50 Ω，用于微带线连接
尿素（用于加标）	Sigma-Aldrich	U5128	药用级，≥99.5% 纯度
紫外曝光系统	Karl Suss	MA6	曝光时间：120 秒
矢量网络分析仪（VNA）	Agilent	PNA 系列	频率范围：0.1–4 GHz，中频带宽：100 Hz，扫描点数：1001