Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2025.

Bibliography: pages 103-111.

This study describes the structure and characterization of a highly Q-Factor and ultrasensitive THz refractive-index-based metamaterial biosensor to detect coronaviruses by using two different electronic infusion device (EID) concentrations of 0.01 and 1000. The proposed biosensor is constructed using a gold plane perforated by star-shape. Moreover, the developed structure is polarization insensitive due to the rotatory symmetry, and it is angularly stable up to 90°. The proposed biosensor achieves near-perfect absorption at 1.9656 THz and 3.3692 THz. The full width at half-maximum is 5.276% and 0.641% compared to the absorption frequency. In addition, the estimated free space absorptivity is 97.2% and 99.1% with a Q-Factor of 19.08 and 155.98 at 1.9656 THz and 3.3692 THz, respectively, when transverse electromagnetic mode (TEM) was selected. The perforated star-shaped was evaluated for IBV (Family of COVID-19) in terms of frequency deviation, sensitivity, and figure of merit. Results show that at 1.9656 THz, the proposed design gives 30.8 GHz, 940.49 GHz/RIU, and 8.6, respectively, for 0.01 (EID/5 µL concentration) and 4.4 GHz, 2200×103 GHz/RIU, and 20215.014, respectively at 1.9612 THz for 1000 (EID/5 µL concentration). Although the obtained results demonstrate the efficiency of the proposed THz metamaterial biosensor in coronavirus detection, it has been also extended for other types of viruses, including H5N1, H5N2, H9N2, H4N6, and FAdV based on the slight variations in their refractive indices.
Furthermore, the miniaturized THz biosensor has a footprint of 0.751 λeff × 0.751 λeff, where λeffrepresents the wavelength at the operating frequency of 8.0299 THz. The sensor demonstrates a peak theoretical sensitivity of 924 GHz/Refractive Index Unit (RIU) with an estimated absorptivity of 99.9% in free space. The sensor's rotational symmetry ensures polarization insensitivity, stability up to 90 degrees of incident angle, and insensitivity to incident modes. The performance evaluation against multiple viruses reveals an average sensitivity of 891.917 GHz (RIU) and a high Figure of Merit (FoM), indicating its suitability for biosensing applications. The results demonstrate its potential for detecting viruses such as M13 bacteriophage, HSV, Influenza A, and HIV-1. Additionally, the influence of the design parameters is optimized to achieve better performance. However, we present an optical experiment designed specifically to differentiate various breeds of influenza A viruses. The experiment involves directing laser beams with distinct wavelengths (532 nm, 665 nm, 808 nm, 822 nm, and 980 nm) onto virus samples and measuring the collimated transmittance at each wavelength. The experiment successfully identified three subtypes of influenza A virus: H1N1, H5N1, and H9N2. Remarkably, each virus subtype exhibited a unique collimated transmission pattern at the same incident laser wavelength. These variations can be attributed to the distinct energy levels of photons in visible light compared to near-infrared (NIR) light, leading to divergent outcomes in collimated transmission analyses within these spectral bands

تعرف المواد التي لا توجد في الطبيعة علي أنها عبارة عن مصفوفة من المواد المنظمة بشكل مصنع والتي بدورها تتفاعل مع الضوء بشكل مختلف عن غيرها من المواد الطبيعية . هذه المواد تكتسب خواص مغناطيسية من طريقة تصميمها و ترتيب المواد المكونة لها و تختلف تلك الخواص عن الخواص الكيميائية لمواد منفردة. أصبحت الآن تلك المواد مصدر رئيسيا للأبحاث العلمية و لتطبيقات علمية واسعة النطاق مثل العدسات الفائقة ، إخفاء الحجب ، الانكسار السالب ، دوران الاستقطاب ، التطبيقات الطبية ، الحصول علي طاقة متجددة ، تكنولوجي الاستشعار ، الامتصاص المثالي،الهوئيات .
في السنوات القليلة الماضية تم إجراء العديد من الدراسات على ممتصات ميتاماتريلمثالية. تعتمد آليات الامتصاص الخاصة بهم على استخدام الهياكل النانوية للمعادن النبيلة لاستغلال البلازما السطحية المحلية لتصميم الامتصاص المثالي الذي يتمتع بقدرة كبيرة على التكيف ، وعلى نطاق مصغر وفاعلية أكبر مقارنة بالامتصاص التقليدي. يمكن أن يُنظر إلى الامتصاص المثالي بشكل أساسي اعتمادًا على تقليل الانعكاس والانتقال القريب من الصفر و أيضا عندما تكون المعاوقة الفعالة للامتصاص مساوية لمقاومة الفضاء الحرعند تردد الرنين. ولاتزال هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات المركزة لتعزيز قدرة الاستشعار الحيويبفعالية عالية.
في هذه الدراسة ، قدمنا وحدة لامتصاص الضوء في التيراهرتز لتطبيقات الاستشعار الحيوي وخاصة الفيروسات، رقيقة جدا و لا تعتمد علي الاستقطاب . وتتكون الوحدة من متوازي مستطيلات من ثلاثة طبقات من ذهب و سيلكا و ذهب ((SiO2/Au/Auمع تفريغ في الطبقة الأولى على شكل نجمة. تم إجراء دراسات هندسية ثنائية الأبعاد وتم اختبار المعدن و العازل باستخدام حزم برمجية عددية لتعزيز قدرات استيعاب الهيكل المقترح لتطبيقات الاستشعار الحيوي فائقة الحساسية. واستخدمنا برامج و طرق المحاكاة الرقمية و التي تستخدم تقنية التكامل المحدود (CST) لإيجاد حلول لتفاعلات الموجات وتوزيعات الموجات الكهرومغناطيسية من خلال ضبط هذه المعلومات ، تم التوصل لكفاءة استشعار عالية تقترب من 968GHz/RIU عند تردد الرنين 1.9 THz. بالإضافة إلى ذلك، يمتاز بالامتصاص التام لما يزيد عن 97% و99% عند ترددات الرنين 1.9656,THz 3.3692 THzعلي الترتيب. ويجب الإشارة إلى أن الوحدة المقترحة لا تعتمد علي زاوية سقوط الآشعة ولا اتجاه الاستقطاب في نظام التيرا هرتز والحفاظ على أدائها الفعال مع سماحية التصنيع ± nm 5. علاوة على ذلك ، استخدمنا المقترح للمساعدة في تطبيقات الكشف عن كورونا و فيروسات الانفلونزا في ترددات التيرا هرتز.
بالاضافة إلىذلك ، تم تصميم وتحليل جهاز استشعار بيولوجي من الميتاماتريال حساس للغاية ومصغر من التيرا هرتز.والتصميم عبارة عن من متوازي مستطيلات من ثلاثة طبقات من ذهب و بولي اميد و ذهب ( (Au/ ultra-thin lossy polyimide /Auو الطبقة الأولى على شكل وردة .تبلغ ذروة الامتصاص المقدرة 99.9٪ تعمل بتردد تشغيلقدرهTHz 8.0299 لمستشعر المواد الحيوية المقترح تيرا هرتز مع حساب مقايس الكفاءة (Q) , (FWHM) أكبر من 33 ,242 على التوالي. تُستخدم القيم النظرية لمؤشر الانكسار للفيروسات المختلفة (HSV ,Influenza A ,HIV-1 ,M13) لتقدير أداء الاستشعار للمستشعر المقترح بأقصى حساسية أكبر من 920 .GHz/RIU ويظل مستقرًا عند زوايا تصل إلى°90ويحافظ على تشغيله الفعال بغض النظر عن تفاوت التصنيع الذي يبلغ ±5%.
كما يقدم هذا العمل تجربة بصرية مصممة خصيصًا للتمييز بين سلالات مختلفة من فيروسات الأنفلونزاA:. تتضمن التجربة توجيه أشعة ليزر بأطوال موجية مميز عن بعض الأنواع الفرعية لفيروس الأنفلونزا A :(H1N1، H5N1، H9N2) من خلال مراقبة الاختلافات في انتقال الضوء المتوازي عند أطوال موجية مختلفة لليزر. و أطوال موجات الليزر المستخدمة هي nm )532 ،nm 665 ،nm 808 ، nm822 ،nm 980( . ومن اللافت للنظر أن كل نوع فرعي من الفيروسات أظهر نمط انتقال موازيًا فريدًا عند نفس الطول الموجي لليزر الساقط. يمكن أن تعزى هذه الاختلافات إلى مستويات الطاقة المتميزة للفوتونات في الضوء المرئي مقارنة بضوء الآشعة تحت الحمراء القريبة (NIR)، مما يؤدي إلى نتائج متباينة في التحليلات الطيفية ضمن هذه النطاقات الطيفية.

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.