基于高灵敏度MTM技术的多频段微生物传感器设计，用于太赫兹波段早期非黑色素瘤皮肤癌的诊断

《Optics & Laser Technology》：Design of a high-sensitivity MTM-based multi-band micro-biosensor for early-stage non-melanoma skin cancer diagnosis in the terahertz region

非黑色素瘤皮肤癌（NMSC）早期检测中，基于太赫兹（0-5 THz）的多频段超材料生物传感器被提出。该传感器采用微带技术，通过精确设计的多层结构调控电磁吸收特性，利用表面等离子体共振和电/磁偶极子耦合机制实现高灵敏度（1.88×10? THz/RIU）和优异的阻抗匹配（FOM达7.84×10? RIU?1）。研究显示，传感器能有效区分健康皮肤与NMSC（如基底细胞癌和鳞状细胞癌）的折射率差异（Δn=0.02），并通过多峰共振模式增强诊断特异性。电磁场分布模拟表明，结构优化后电场局域化效果显著，表面电流分布验证了多模式共振的协同作用。该设计为非侵入式癌症筛查提供了新思路，未来可通过实验验证实现临床转化。

　　非黑色素瘤皮肤癌（NMSC）是皮肤癌中最常见的类型之一，主要影响皮肤的外层。基底细胞癌（BCC）和鳞状细胞癌（SCC）是NMSC的两个主要亚型。虽然NMSC可以通过治疗得到有效控制，但治疗效果很大程度上取决于准确的诊断。目前，早期NMSC的检测方法包括临床检查（通常为视觉检查）和皮肤活检，但后者具有侵入性。近年来，微波成像（MWI）作为一种非侵入性的诊断技术，受到越来越多的关注。MWI利用健康组织和恶性组织之间的介电特性差异来区分和分类肿瘤。其中，一种特殊的MWI技术——太赫兹（THz）生物传感器，尤其在低太赫兹范围（最高可达10 THz）中显示出潜力，可用于分析体液中的生物标志物。本文提出了一种新型的THz生物传感器结构，用于检测NMSC，其工作频率范围为0至5 THz。该传感器设计采用了精心设计的超材料层，通过微带技术实现对吸收特性的精确控制。这种控制对于区分健康和NMSC病变皮肤至关重要。全面的数值研究验证了所提出的传感器在早期NMSC检测中的适用性。具体案例研究和吸收特性数值分析进一步展示了该设备的有效性。

在研究THz生物传感器的广泛应用时，发现其在多个领域具有显著的潜力，包括医疗诊断、制药、食品安全和环境监测。例如，它们可以用于通过分析体液中的特定生物标志物来实现疾病的早期检测，如癌症。此外，它们还可以用于分析药品的质量和真实性，或检测食品中的污染物。尽管THz生物传感器表现出巨大的潜力，但仍存在一些需要克服的挑战，如提高其灵敏度、微型化和降低成本。然而，持续的研究和开发正在不断推动这一技术的进步，使其在生物技术和医疗保健领域具有广阔的前景。

THz波是指位于红外和微波之间的电磁波，其频率范围为0.1至10 THz。THz生物传感器利用这些波来检测和诊断皮肤癌等疾病。THz波的独特性质使其能够穿透组织一定深度，并在与生物组织相互作用时产生特定的吸收和反射模式，从而提供关于组织组成和结构的信息。THz生物传感器通过分析这些波与皮肤的相互作用，可以检测皮肤癌的微小变化，如癌细胞的生长或异常细胞结构。通过比较健康组织和癌变组织的THz信号，这些传感器旨在区分正常和癌变的皮肤病变。然而，传统THz传感器并不完全适用于NMSC的诊断，因此基于完美吸收器的微传感器引起了广泛关注，因为THz波具有显著的优势，能够提供高性能参数。近年来，已有许多研究对基于不同配置的生物传感器进行了探讨，并提出了多种波长，通过数值和理论分析来实现上述目标。这些平台包括多种实际结构和新型材料，覆盖不同的频率范围和尺寸。在这些平台中，整体结构是影响生物传感器结果的关键因素。

为了提高生物传感器的性能参数，本文首次提出了一种新的THz生物传感器结构。与以往的平台相比，所提出的生物传感器具有更好的性能参数。为了分析结构，采用了FDTD方法进行数值研究，以调查吸收和传感特性。该研究对THz波在0到5 THz范围内的吸收特性进行了模拟，并结合不同材料和厚度的参数调整，评估了其对吸收行为的影响。通过优化结构和材料选择，该传感器能够在广泛的频率范围内保持稳定的吸收性能，同时确保对目标生物标志物的高灵敏度和高特异性。

此外，本文还对THz波在不同角度和极化状态下的吸收特性进行了分析。研究发现，在频率范围0至2 THz内，吸收率对入射角的变化几乎可以忽略不计，变化小于0.1%。对于更高的频率范围，吸收率的变化也保持在较低水平，这表明该传感器在多种情况下都具有良好的稳定性和一致性。这些特性对于在临床和实验室环境中进行可靠的诊断至关重要。通过结合极化不敏感性和角度稳定性，该传感器不仅能够实现高诊断精度，还展示了在实际应用中所需的可靠性和实用性。

THz波与生物组织的相互作用可以通过多种物理机制进行分析。THz生物传感器利用超材料结构来实现电磁场的高效局域化和表面电流的增强，从而提高对生物标志物的敏感度。此外，该传感器能够产生窄带共振，有助于检测因早期病理变化引起的微小频率偏移。这种能力使得该传感器在检测如NMSC等疾病时具有显著优势，因为这些疾病通常会在组织的表层引发微妙的生化变化。

在生物传感器的开发过程中，还探讨了多种材料对吸收特性的影响，包括铜、银、铁和铝。这些材料在THz范围内表现出不同的电磁行为。例如，铜和银因其高电导率，在THz范围内表现出显著的表面等离子体共振现象。这种共振可以导致吸收峰的出现，这对于提高传感器的灵敏度和检测能力至关重要。而铝因其轻质、耐腐蚀性和较低的成本，成为理想的材料选择。铝在THz范围内的吸收特性也表明其具有足够的电导率，能够维持强表面等离子体共振。此外，铝在聚合物基底上的附着力优于银，这确保了在制造和操作过程中传感器的稳定性。

为了优化生物传感器的性能，研究还探讨了基底厚度对吸收行为的影响。实验结果显示，吸收率随着基底厚度的变化呈非线性关系。当基底厚度为10微米时，金属-介电界面的强场局域化最大化了共振耦合和吸收。随着基底厚度增加（40至80微米），吸收率逐渐降低，这是由于较弱的场局域化和部分阻抗失配造成的。超过100微米的基底厚度则会导致吸收效率下降，因为介电损耗变得更为显著，共振的锐度也会减弱。从电磁和制造的角度来看，过厚的基底会阻碍微型化和与微带技术的集成，而过薄的基底（<10微米）可能会面临结构脆弱的问题。因此，选择10微米的聚酰亚胺作为基底，能够在吸收率、低介电损耗和制造可行性之间实现最佳平衡。

THz生物传感器的开发涉及多个方面，包括材料选择、结构设计和性能优化。本文提出的传感器结构结合了精心设计的超材料层和微带技术，以实现对吸收特性的精确控制。此外，该传感器的性能参数，如灵敏度、图示因子和品质因数，均达到较高水平，使其在检测早期NMSC时表现出色。通过结合多频段共振和高效的电磁场局域化，该传感器能够捕捉到与疾病相关的微小变化，从而提高诊断的准确性和可靠性。

在实验和模拟过程中，采用了多种方法来验证传感器的性能，包括FDTD和有限元方法（FEM）。这些方法能够准确模拟THz波与生物组织的相互作用，并提供关于吸收率、信号质量和阻抗匹配的详细数据。此外，研究还考虑了不同材料和结构参数对传感器性能的影响，以确保其在实际应用中的稳定性。通过优化设计，传感器能够在多种条件下保持良好的性能，包括不同的入射角和极化状态。

本文的研究不仅展示了THz生物传感器在NMSC检测中的潜力，还强调了其在其他生物医学应用中的广泛适用性。例如，该传感器可以用于检测其他类型的癌症，如黑色素瘤、宫颈癌和炎症性皮肤疾病。通过结合多频段操作和高灵敏度，该传感器能够提供更全面的诊断信息，从而提高早期检测的准确性。此外，该研究还提出了未来的研究方向，包括实验验证、传感器微型化和与便携式THz成像系统的集成。这些方向将进一步推动THz生物传感器在临床应用中的发展。

综上所述，本文提出的THz生物传感器结构在NMSC检测中表现出色，其性能参数显著优于现有技术。通过结合多频段共振、高效场局域化和优化的材料选择，该传感器能够实现高灵敏度和高特异性。这些特性使其成为一种有前景的非侵入性诊断工具，能够为早期皮肤癌检测提供可靠的数据支持。未来的工作将集中在实验验证、生物组织的兼容性和实际应用的可行性上，以推动该技术在临床环境中的广泛使用。