Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2023.

Bibliography: pages 149-177.

Recently, photonic biosensor is a powerful tool for the early detection of different diseases with biocompatibility, real time sensing, high sensitivity and high design flexibility. In this thesis, design and analysis of highly sensitive plasmonic photonic crystal fiber (PCF) biosensors are reported for cancer early detection. Full vectorial finite element method (FVFEM) is used throughout the numerical analysis of the suggested biosensors. The first design is based on V-shaped PCF that is coated with ZrN as an alternative plasmonic material. A coupling occurs between the core guided mode and surface plasmon mode SPM which depends on the studied analyte. Such a coupling is improved by using the suggested V-shape geometry which increases the sensor sensitivity. The geometrical parameters are optimized to achieve high sensor sensitivity. The proposed biosensor has high optical sensitivity of 6214.28, 3800, and 5008.33 nm/RIU, for quasi-transverse magnetic (TM), and 6000 nm/RIU, 4400 nm/RIU, and 5333.3 nm/RIU, for quasi-transverse magnetic (TE), for the detection of breast, basal, and cervical cancer cells, respectively.
In order to increase the sensor sensitivity, another design is suggested and analyzed where two gold nano-rods are attached on dual V-shaped etched surfaces. The dual V-shaped grooves improve the interaction between the core mode and the surface plasmon mode (SPM). Therefore, the second design offers high sensitivity of 24000 nm/RIU for the TM-polarized core mode along refractive index (RI) range from 1.38 to 1.39, with a resolution of 2.703〖×10〗^(-6) RIU. Moreover, high sensitivities of 23700 nm/RIU, 8208 nm/RIU and 14428.6 are obtained for basal, cervical, and breast cancer cell detection with resolutions of 4.22〖×10〗^(-6), 12.18〖×10〗^(-6) RIU, and 6.93〖×10〗^(-6) RIU, respectively. The achieved sensitivity and resolution are higher than that of the recent cancer detection sensors. Moreover, the developed label free biosensor is safer than other chemical and surgical techniques. Therefore, the reported photonic sensors can pave the way for efficient and simple technique for cancer detectionwith low cost and high sensitivity instead of surgical and chemical techniques.

العديد من الأمراض و ذلك بفضل التوافق الحيوي ، والاستشعار في الوقت الفعلي ، والحساسية والمرونة العالية. و قدأصبحت الألياف البلورية الضوئية ( PCF) منصة استشعار مهمة للغاية. تركز هذه الأطروحة على تصميم وتحليل أجهزة الاستشعار الحيوية المبنية على الألياف البلورية الضوئية عالية الحساسية وذات الحجم الصغير والمتوافقة حيوياً ومتعددة الوظائف للكشف المبكر عن الخلايا السرطانية. تمت دراسة التصميمات المقترحه بإستخدام طريقة العناصر المحدوده(FVFEM) ذات الإتجاهية الكامله .
أولاً ، تم اقتراح تصميم جديد لمستشعر حيوي بلازموني مبني علي الالياف البلورية الضوئية (PCF) للكشف المبكرعن الخلايا السرطانية. يحتوي المستشعر المقدم علي سطح على شكل حرف V مطلي بـ ZrN كمادة بلازمونيه بديله. يحدث اقتران بين النمط الاساسي للPCFو النمط البلازموني السطحي . تم تحسين هذا الاقتران باستخدام الشكل الهندسي المقترح على شكل V والذي يزيد من حساسية المستشعر. تم ضبط أبعاد المستشعر الهندسية لتحقيق حساسية عالية للمستشعر. حقق المستشعر الحيوي المقترح حساسية بصرية عالية تبلغ 6214.28 نانومتر/وحدة معامل انكسار و 3800 نانومتر/وحدة معامل انكسار و 5008.33 نانومتر/وحدة معامل انكسار، للنمط المغناطيسي شبه المستعرض (TM) ، و 6000 نانومتر/وحدة معامل انكسار و 4400 نانومتر/وحدة معامل انكسار ، و 5333.3 نانومتر/وحدة معامل انكسار ، للنمط الكهربي شبه المستعرض ( TE) لخلايا سرطان الثدي والقاعدية وعنق الرحم على التوالي. يمكن أن يمهد المستشعر الفوتوني المقترح الطريق لتقنية فعالة وبسيطة للكشف عن السرطان بتكلفة منخفضة وحساسية عالية بدلاً من التقنيات الجراحية والكيميائية.
تم تقديم مستشعر آخرلزيادة الحساسيه , للكشف المبكر عن السرطان يعتمد على الألياف البلورسة الضوئية. يحتوي المستشعر المقترح على قضيبين نانو من الذهب مثبتين على سطح محفور مزدوج على شكل حرف V . تم ضبط أبعاد المستشعر الهندسية لتحقيق حساسية عالية للمستشعر. تعمل الأخاديد المزدوجة على شكل V على تحسين التفاعل بين النمط الاساسي لل PCFو النمط البلازموني السطحي. لذلك حقق المستشعر الحيوي المقترح حساسية عالية تبلغ 24000 نانومتر/وحدة معامل انكسار لنمط الإستقطاب TMخلال مدي من معامل انكسار من 1.38 إلى 1.39 ، بدقة تبلغ 4.22 ×10-6 وحدة معامل انكسار. علاوة على ذلك ، تم الحصول على حساسيات عالية تبلغ 23700 نانومتر/وحدة معامل انكسار و 8208 نانومتر/وحدة معامل انكسار و 14428.6 نانومتر/وحدة معامل انكسار للكشف عن الخلايا السرطانية القاعدية وعنق الرحم والثدي بدقة ، على التوالي. الحساسية والدقة التي تم تحقيقها أعلى من تلك الخاصة بأجهزة استشعار السرطان التي تم الاطلاع عليها مؤخرًا. علاوة على ذلك ، يعتبر جهاز الاستشعار الفوتوني المطوّر الخالي من العوالق البيولوجية أكثر أمانًا من التقنيات الكيميائية والجراحية الأخرى.

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.