《Next Materials》：Optimization and analysis of a high-performance multi-band terahertz metamaterial biosensor for cancer diagnostics
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为解决传统癌症诊断方法在早期检测中的局限性，研究人员开展了一项关于高性能多波段太赫兹超材料吸收体（TMA）的研究。该研究通过优化Cu-SiO2-Au结构，设计出一种基于双裂环谐振器与中心十字形结构耦合的传感器。结果表明，该传感器在1-5 THz范围内实现了四个超窄吸收峰，吸收率超过94%，灵敏度高达857 GHz/RIU，品质因数（Q）达67.4，优值（FoM）达11.2 RIU-1。该传感器能够有效区分八种癌症细胞与正常细胞，为无标记、非侵入性的早期癌症诊断提供了有前景的技术平台。
癌症是全球范围内导致死亡的主要原因之一，每年夺走近1000万人的生命。尽管早期发现对于提高生存率至关重要，但许多癌症在确诊时已处于晚期，这主要是由于早期症状不明显以及传统诊断方法的局限性。目前，磁共振成像（MRI）、计算机断层扫描（CT）和活检等传统方法通常依赖于检测可见的肿瘤，这导致了对宫颈癌、胰腺癌等癌症的晚期诊断，从而降低了治疗的成功率。
这些局限性凸显了对非侵入性、早期阶段且高灵敏度的诊断工具的需求。太赫兹（THz）超材料吸收体（TMA）作为一种新兴技术，因其无标记、非电离、对生物组织介电特性高度敏感等优势，在生物医学传感领域展现出巨大潜力。然而，现有的TMA设计在实现高灵敏度、高Q值（品质因数）以及多生物标志物检测方面仍面临挑战。因此，开发一种能够同时实现高吸收效率、窄带光谱响应和宽阻抗匹配的多波段TMA，对于推动下一代太赫兹生物传感技术的发展具有重要意义。
为了应对这一挑战，来自伊斯兰技术大学（Islamic University of Technology）的Khandaker Adeba Tabassum、Sadat Al Rashad、Sheikh Montasir Mahbub和Rakibul Hasan Sagor团队在《Next Materials》上发表了一项研究，提出并优化了一种用于癌症诊断的高性能多波段太赫兹超材料生物传感器。该研究设计了一种基于Cu-SiO2-Au结构的多波段太赫兹超材料吸收体（TMA），旨在通过检测生物样本的折射率变化，实现对多种癌症的无标记、非侵入性早期诊断。
关键技术方法
研究人员主要采用了计算机模拟与理论建模相结合的方法来开展研究。首先，他们利用CST Studio Suite软件中的频域求解器，对设计的超材料单元结构进行电磁仿真，以分析其吸收光谱、表面电流分布和磁场能量密度。其次，他们建立了等效电路模型（ECM），基于传输线理论来分析结构的阻抗匹配特性，从而从理论上解释其高吸收性能的物理机制。此外，研究还进行了参数优化和鲁棒性分析，通过系统地改变结构尺寸（如裂环半径、裂口宽度、十字形尺寸等），评估了制造公差对传感器性能的影响，以确保设计的实用性和稳定性。在生物传感应用方面，研究人员通过模拟八种不同癌症细胞（包括皮肤癌、脑癌、宫颈癌、血癌、管腔型乳腺癌、三阴性乳腺癌、舌癌和肾上腺癌）及其对应的健康细胞，利用其已知的折射率值，验证了传感器区分正常与癌变细胞的能力。
研究结果
1. 模型单元结构布局
研究人员设计了一种三层结构的太赫兹超材料吸收体，其单元结构尺寸为30 μm × 30 μm。该结构由顶部的铜（Cu）谐振器、中间的二氧化硅（SiO2）介质间隔层和底部的金（Au）接地平面组成。其中，金接地层厚度为2.0 μm，用于完全阻挡太赫兹波的透射；二氧化硅介质层厚度为14 μm，具有低介电色散和热稳定性；顶部铜谐振器层厚度为0.3 μm，具有高电导率和成本效益。研究人员评估了四种不同的设计构型，最终选定的最优设计（Model IV）包含两个同心裂环谐振器，并在中心嵌入了一个十字形结构。这种组合形成了多个耦合的谐振路径，增强了磁场限制，从而能够在1-5 THz范围内产生四个超窄吸收峰。
2. 吸收分析与性能指标
仿真结果表明，所提出的TMA在1.668 THz、2.812 THz、4.424 THz和4.800 THz处表现出四个超窄吸收峰，其中三个吸收峰的吸收率超过99%，一个达到94.11%。该传感器表现出优异的传感性能，其灵敏度（S）最高可达857 GHz/RIU，品质因数（Q）最高可达67.4，优值（FoM）最高可达11.2 RIU-1。通过分析不同入射角下的吸收特性，研究发现尽管吸收幅度随角度变化，但谐振频率保持稳定，这确保了传感机制的可靠性。
3. 癌症诊断应用
为了验证传感器的生物传感能力，研究人员模拟了八种癌症细胞及其健康对应物的检测。结果显示，由于癌变细胞具有更高的折射率，当这些生物样本置于传感器表面时，会导致吸收峰发生明显的红移（频率降低）。对于所研究的八种癌症类型，谐振频率的偏移范围在0.001 THz到0.096 THz之间。值得注意的是，第三个吸收带（约4.2-4.3 THz）在所有癌症类型中都表现出最高的灵敏度和Q值，表明其是进行癌症检测最稳定和可靠的频带。
结论与讨论
本研究成功设计并优化了一种用于癌症诊断的高性能多波段太赫兹超材料生物传感器。该传感器基于Cu-SiO2-Au结构，通过双裂环谐振器与中心十字形结构的耦合，在1-5 THz范围内实现了四个超窄吸收峰。研究结果表明，该传感器具有高灵敏度（最高857 GHz/RIU）、高Q值（最高67.4）和高优值（最高11.2 RIU-1）的优异性能。
更重要的是，该传感器能够通过检测折射率的变化，有效区分八种癌症细胞（皮肤癌、脑癌、宫颈癌、血癌、管腔型乳腺癌、三阴性乳腺癌、舌癌和肾上腺癌）与正常细胞，谐振频率的偏移范围在0.001 THz到0.096 THz之间。其中，第三个吸收带在所有癌症类型中都表现出最稳定和最高的性能，使其成为最可靠的检测频带。
这项研究的意义在于，它提出了一种无标记、非侵入性的早期癌症诊断新方法。该传感器结构紧凑、性能优异，为开发便携式、多生物标志物分析的下一代太赫兹生物传感技术提供了有前景的平台，有望在临床应用中实现早期癌症的精准检测。
