합성생물학 전세포(Whole-Cell) 바이오센서 유전자 오페론 회로 & 1,000Hz 0-Alloc C# 비소(As) ppb급 형광 역산 미세유체 층류 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;
using System.Numerics;

namespace ZeliDesk.Stem.SyntheticBiology
{
    /// 

    /// 1,000Hz 전세포 바이오센서 GFP 형광 역산 및 미세유체 피에조 시린지 서보 제어기
    /// GC 무할당 스택 메모리 0-Alloc 구현체
    /// 
    public ref struct WholeCellBiosensorServo
    {
        // 생화학 반응 상수
        private const float DissociationConstantKdPpb = 1.12f; // 비소 해리상수 Kd (1.12 ppb)
        private const float HillCoefficient = 1.82f;           // 힐 협동 계수 n
        private const float BackgroundFluorescenceRfu = 25.0f; // 세포 자가형광 기저치
        private const float MaxSyringeFlowUlMin = 150.0f;       // 시린지 펌프 최대 유량 (uL/min)

        // 서보 제어 상태
        public float EstimatedArsenicPpb;
        public float FilteredFluorescenceRfu;
        public float TargetSampleFlowUlMin;
        public float TargetMediumFlowUlMin;
        public float ToxicityAlarmLevel;                       // 0.0 ~ 1.0

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void Initialize()
        {
            EstimatedArsenicPpb = 0.0f;
            FilteredFluorescenceRfu = BackgroundFluorescenceRfu;
            TargetSampleFlowUlMin = 20.0f;
            TargetMediumFlowUlMin = 80.0f;
            ToxicityAlarmLevel = 0.0f;
        }

        /// 

        /// 1ms 제어 주기: PMT 형광 측정값으로부터 실시간 비소 농도 역산 및 유체 혼합비 제어
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public void StepBiosensorControl(
            float rawPmtSignalRfu, 
            float chamberTemperatureC, 
            out float arsenicPpb, 
            out float samplePumpFlowUlMin, 
            out float mediumPumpFlowUlMin, 
            out bool isWhoStandardExceeded)
        {
            // 1. 디지털 1차 저역통과 필터링 (형광 광자 샷노이즈 억제)
            FilteredFluorescenceRfu = FilteredFluorescenceRfu * 0.98f + rawPmtSignalRfu * 0.02f;

            // 순수 유도 형광량 산출
            float netGfp = MathF.Max(0.1f, FilteredFluorescenceRfu - BackgroundFluorescenceRfu);

            // 2. 힐 방정식 역산: [L] = Kd * (theta / (1 - theta))^(1/n)
            // 최대 포화 유도 형광량 500 RFU 가정
            const float MaxGfpRfu = 500.0f;
            float theta = MathF.Min(0.98f, netGfp / MaxGfpRfu);
            float oddsRatio = theta / MathF.Max(0.01f, 1.0f - theta);

            // 역산 비소 농도 (ppb)
            EstimatedArsenicPpb = DissociationConstantKdPpb * MathF.Pow(oddsRatio, 1.0f / HillCoefficient);

            // WHO 음용수 안전 기준: 10 ppb
            const float WhoSafeLimitPpb = 10.0f;
            isWhoStandardExceeded = EstimatedArsenicPpb > WhoSafeLimitPpb;

            // 3. 독성 지수 및 1,000Hz 능동 미세유체 층류 유량 제어
            ToxicityAlarmLevel = MathF.Min(1.0f, EstimatedArsenicPpb / (WhoSafeLimitPpb * 3.0f));

            if (isWhoStandardExceeded)
            {
                // 고농도 유입 시: 시료 희석을 위해 배지 공급 확대 및 시료 유량 축소 (세포 사멸 방지)
                TargetSampleFlowUlMin = MathF.Max(5.0f, TargetSampleFlowUlMin - 0.2f);
                TargetMediumFlowUlMin = MathF.Min(MaxSyringeFlowUlMin, TargetMediumFlowUlMin + 0.5f);
            }
            else
            {
                // 정상 농도: 측정 감도 극대화를 위한 공칭 혼합 유지
                TargetSampleFlowUlMin = 25.0f;
                TargetMediumFlowUlMin = 75.0f;
            }

            arsenicPpb = EstimatedArsenicPpb;
            samplePumpFlowUlMin = TargetSampleFlowUlMin;
            mediumPumpFlowUlMin = TargetMediumFlowUlMin;
        }
    }
}