Ultrasensitive WSe <sub>2</sub> field-effect transistor-based biosensor for label-free detection of cancer in point-of-care applications
M.H. Mosarof, Babar Shabbir, Yingjie Wu, Wenzhi Yu, Vaishnavi Krishnamurthi, Md Hemayet Uddin, Nasir Mahmood, Sumeet Walia, Qiaoliang Bao, Tuncay Alan, Sudha Mokkapati
Abstract
Abstract We demonstrate a highly sensitive tungsten diselenide (WSe 2 ) field-effect transistor (FET) biosensor for label-free detection of early stage prostate cancer. We modified the FET channel by attaching the monoclonal antibody of prostate specific antigen (anti-PSA) through a multi-step process, followed by bovine serum albumin treatment, which ensures specific binding between anti-PSA and PSA. Our FET biosensor has a detection limit of 10 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mtext>fg m</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>l</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> PSA, the lowest concentration detected so far by any FET sensor. At this detection limit, the sub-threshold swing is <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mn>235</mml:mn> <mml:mrow> <mml:mtext>mV de</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>c</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> ; and the drain current ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>I</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mtext>d</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ) in the FET increases by 70% compared to that in a pristine device. The FET sensor exhibits linear change in threshold voltage ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>V</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mtext>th</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ) and drain current ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>I</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mtext>d</mml:mtext> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> ) over the detection range of 10 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mtext>fg m</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>l</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> –1 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" overflow="scroll"> <mml:mrow> <mml:mtext>ng m</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mtext>l</mml:mtext> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> PSA. Our demonstrated ultra-sensitive and fast WSe 2 FET biosensors are promising for point-of-care diagnostics applications.