We have studied the effect of double-functionalization on gold electrodes for improving nanopore-based DNA sequencing. The functionalizing molecular probes are, respectively, capable of temporarily forming hydrogen bonds with both the nucleobase part and the phosphate group of the target DNA, thus potentially minimizing the structural fluctuations of a single-stranded DNA molecule passing between the gold electrodes. The results of our first-principles study indicate that the proposed setup yields current signals that differ by at least 1 order of magnitude for the four different nucleic acid bases, thus offering the possibility to electrically distinguish them.

1.
P. A.
Futreal
,
A.
Kasprzyk
,
E.
Birney
,
J. C.
Mullikin
,
R.
Wooster
, and
M. R.
Stratton
,
Nature
409
,
850
(
2001
).
2.
G.
Jimenez-Sanchez
,
B.
Childs
, and
D.
Valle
,
Nature
409
,
853
(
2001
).
3.
4.
F.
Sanger
,
S.
Nicklen
, and
A. R.
Coulson
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
74
,
5463
(
1977
).
5.
E.
Lander
,
L. M.
Linton
,
B.
Birren
,
C.
Nusbaum
,
M. C.
Zody
,
J.
Baldwin
,
K.
Devon
,
K.
Dewar
,
M.
Doyle
,
W.
FitzHugh
 et al,
Nature
409
,
860
(
2001
).
6.
J. C.
Venter
,
M. D.
Adams
,
E. W.
Myers
,
P. W.
Li
,
R. J.
Mural
,
G. G.
Sutton
,
H. O.
Smith
,
M.
Yandell
,
C. A.
Evans
,
R. A.
Holt
 et al,
Science
291
,
1304
(
2001
).
7.
J.
Shendure
,
R. D.
Mitra
,
C.
Varma
, and
G. M.
Church
,
Nat. Rev. Genet.
5
,
335
(
2004
).
8.
C. P.
Fredlake
,
D. G.
Hert
,
E. R.
Mardis
, and
A. E.
Barron
,
Electrophoresis
27
,
3689
(
2006
).
9.
B. M.
Venkatesan
and
R.
Bashir
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
615
(
2011
).
10.
D.
Branton
,
D. W.
Deamer
,
A.
Marziali
,
H.
Bayley
,
S. A.
Benner
,
T.
Butler
,
M. D.
Ventra
,
S.
Garaj
,
A.
Hibbs
,
X.
Huang
 et al,
Nat. Biotechnol.
26
,
1146
(
2008
).
11.
J. J.
Kasianowicz
,
E.
Brandin
,
D.
Branton
, and
D. W.
Deamer
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
93
,
13770
(
1996
).
12.
M.
Zwolak
and
M. D.
Ventra
,
Nano Lett.
5
,
421
(
2005
).
13.
X. G.
Zhang
,
P. S.
Krstic
,
R.
Zikic
,
J. C.
Wells
, and
M.
Fuentes-Cabrera
,
Biophys. J.
91
,
L04
(
2006
).
14.
H. W. Ch.
Postma
,
Nano Lett.
10
,
420
(
2010
).
15.
J.
Prasongkit
,
A.
Grigoriev
,
B.
Pathak
,
R.
Ahuja
, and
R. H.
Scheicher
,
Nano Lett.
11
,
1941
(
2011
).
16.
J.
He
,
L.
Lin
,
P.
Zhang
, and
S.
Lindsay
,
Nano Lett.
7
,
3854
(
2007
).
17.
H.
He
,
R. H.
Scheicher
,
R.
Pandey
,
A. R.
Rocha
,
S.
Sanvito
,
A.
Grigoriev
,
R.
Ahuja
, and
S. P.
Karna
,
J. Phys. Chem. C
112
,
3456
(
2008
).
18.
S.
Chang
,
S.
Huang
,
J.
He
,
F.
Liang
,
P.
Zhang
,
S.
Li
,
X.
Chen
,
O.
Sankey
, and
S.
Lindsay
,
Nano Lett.
10
,
1070
(
2010
).
19.
Y.
He
,
R. H.
Scheicher
,
A.
Grigoriev
,
R.
Ahuja
,
S.
Long
,
Z.-L.
Huo
, and
M.
Liu
,
Adv. Funct. Mater.
21
,
2674
(
2011
).
20.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
5648
(
1993
).
21.
C.
Lee
,
W.
Yang
, and
R. G.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
(
1988
).
22.
M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G. A. Petersson, et al., GAUSSIAN 09, Revision A.1., Gaussian, Inc., Wallingford CT (2009).
23.
P.
Ordejon
,
E.
Artacho
, and
J. M.
Soler
,
Phys. Rev. B
53
,
R10441
(
1996
).
24.
M.
Brandbyge
,
J.-L.
Mozos
,
P.
Ordejon
,
J.
Taylor
, and
K.
Stokbro
,
Phys. Rev. B
65
,
165401
(
2002
).
You do not currently have access to this content.