Highly Sensitive Terahertz Metasurface Based on Electromagnetically Induced Transparency-Like Resonance in Detection of Skin Cancer Cells

太赫兹辐射 光电子学 折射率 超材料 电介质 材料科学 基质(水族馆) 灵敏度(控制系统) 光学 物理 生物 电子工程 工程类 生态学
作者
Shohreh Nourinovin,Muhammad M. Rahman,Mira Naftaly,Michael P. Philpott,Qammer H. Abbasi,Akram Alomainy
出处
期刊:IEEE Transactions on Biomedical Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71 (7): 2180-2188 被引量:4
标识
DOI:10.1109/tbme.2024.3364386
摘要

Terahertz (THz) metasurfaces based on high Q-factor electromagnetically induced transparency-like (EIT-like) resonances are promising for biological sensing. Despite this potential, they have not often been investigated for practical differentiation between cancerous and healthy cells. The present methodology relies mainly on refractive index sensing, while factors of transmission magnitude and Q-factor offer significant information about the tumors. To address this limitation and improve sensitivity, we fabricated a THz EIT-like metasurface based on asymmetric resonators on an ultra-thin and flexible dielectric substrate. Bright-dark modes coupling at 1.96 THz was experimentally verified, and numerical results and theoretical analysis were presented. An enhanced theoretical sensitivity of 550 GHz/RIU was achieved for a sample with a thickness of $13\mu m$ due to the ultra-thin substrate and novel design. A two-layer skin model was generated whereby keratinocyte cell lines were cultured on a base of collagen. When NEB1-shPTCH (basal cell carcinoma (BCC)) were switched out for NEB1-shCON cell lines (healthy) and when BCC's density was raised from $1\times 10^{5}$ to $2.5\times 10^{5}$ , a frequency shift of 40 and 20 GHz were observed, respectively. A combined sensing analysis characterizes different cell lines. The findings may open new opportunities for early cancer detection with a fast, less-complicated, and inexpensive method.
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