Evaluation of the Electrochemical Behavior of NADH in the Produced Gold Nanoelectrodes

Öz

In this study, gold nanoelectrodes were fabricated using a laser-based micropipette puller method and employed for investigating the nanoelectrochemical behavior of nicotinamide adenine dinucleotide (NADH). Gold wires embedded in borosilicate capillaries were subjected to thinning, sealing, and pulling processes, followed by polishing and thermal annealing to obtain reproducible nanoelectrode surfaces. The produced nanoelectrodes were characterized electrochemically by cyclic voltammetry (CV) using ferrocene as a redox mediator in acetonitrile containing 0.05 M tetrabutylammonium tetrafluoroborate (TBATFB). The average radius of the fabricated nanoelectrodes was calculated as 118.54±51.53 nm at a 95% confidence interval. The electrochemical oxidation behavior of NADH was examined in phosphate buffer solution (pH 7) containing KCl as supporting electrolyte using cyclic voltammetry and square wave voltammetry (SWV). Optimization studies were performed by varying frequency and amplitude parameters to obtain the best analytical response. The concentration–current relationship was investigated in the range of 1–4 mM NADH, and a linear relationship was obtained with a correlation coefficient of R²=0.9954. The nanoelectrodes exhibited stable and symmetrical voltammetric responses, while increased supporting electrolyte concentration improved steady-state electrochemical behavior. The findings demonstrate that laser-fabricated gold nanoelectrodes provide a promising platform for rapid and sensitive electrochemical investigation of NADH. Due to their nanoscale dimensions and favorable mass-transfer characteristics, the produced nanoelectrodes may have potential applications in biomolecule sensing and intracellular electrochemical measurements.

Anahtar Kelimeler

• Gold nanoelectrode
• NADH
• Cyclic voltammetry
• Square wave voltammetry

Destekleyen Kurum

Hitit University

Proje Numarası

FEF19004.15.003.

Etik Beyan

Ethics committee approval is not required.

Teşekkür

We would like to thank Hitit University Scientific Research Projects Coordination Office for their support to this study within the scope of project number FEF19004.15.003.

Üretilen Altın Nanoelektrotlarda NADH’nin Elektrokimyasal Davranışının Değerlendirilmesi

Öz

Bu çalışmada, lazer bazlı mikropipet çekici yöntemi kullanılarak altın nanoelektrotlar üretildi ve nikotinamid adenin dinükleotidin (NADH) nanoelektrokimyasal davranışını araştırmak için kullanıldı. Borosilikat kılcal damarlarına gömülü altın teller, tekrarlanabilir nanoelektrot yüzeyleri elde etmek için inceltme, kapatma ve çekme işlemlerine tabi tutuldu, ardından cilalama ve termal tavlama yapıldı. Üretilen nanoelektrotlar, 0,05 M tetrabutilamonyum tetrafloroborat (TBATFB) içeren asetonitril içerisinde redoks aracısı olarak ferrosen kullanılarak siklik voltametri (CV) ile elektrokimyasal olarak karakterize edildi. Üretilen nanoelektrotların ortalama yarıçapı %95 güven aralığında 118,54±51,53 nm olarak hesaplandı. NADH'nin elektrokimyasal oksidasyon davranışı, destekleyici elektrolit olarak KCl içeren fosfat tampon çözeltisinde (pH 7) siklik voltametri ve kare dalga voltametri (SWV) kullanılarak incelenmiştir. En iyi analitik cevabı elde etmek için frekans ve genlik parametreleri değiştirilerek optimizasyon çalışmaları yapıldı. Konsantrasyon-akım ilişkisi 1–4 mM NADH aralığında araştırıldı ve R²=0,9954 korelasyon katsayısı ile doğrusal bir ilişki elde edildi. Nanoelektrotlar kararlı ve simetrik voltametrik tepkiler sergilerken, artan destekleyici elektrolit konsantrasyonu kararlı durum elektrokimyasal davranışını iyileştirmiştir. Bulgular, lazerle üretilen altın nanoelektrotların, NADH'nin hızlı ve hassas elektrokimyasal araştırması için umut verici bir platform sağladığını göstermektedir. Nano ölçekli boyutları ve uygun kütle transfer özellikleri nedeniyle üretilen nanoelektrotlar, biyomolekül algılama ve hücre içi elektrokimyasal ölçümlerde potansiyel uygulamalara sahip olabilir.

Anahtar Kelimeler

• Altın nanoelektrot
• NADH
• Dönüşümlü voltametri
• Kare dalga voltametrisi

Destekleyen Kurum

Hitit Üniversitesi

Proje Numarası

FEF19004.15.003.

Etik Beyan

Etik kurul onayı gerekmemektedir.

Teşekkür

Hitit Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinatörlüğü'ne FEF19004.15.003 numaralı proje kapsamındaki bu çalışmaya verdiği destekten dolayı teşekkür ederiz.

Kaynakça

1. Covarrubias, A.J., Perrone, R., Grozio, A., Verdin, E. (2021). NAD+ Metabolism and its Roles in Cellular Processes During Ageing. Nature Reviews|Molecular Cell Biology. 22:121-141.
2. Immanuel,S., Sivasubramanian, R. (2020). Electrochemical Studies of NADH Oxidation on Chemically Reduced Graphene Oxide Nanosheets Modified Glassy Carbon Electrode. Materials Chemistry and Physics. 249:123015.
3. Murray, R.W. (2008). Nanoelectrochemistry: Metal Nanoparticles, Nanoelectrodes, and Nanopores. Chemical Reviews. 108:2688-2720.
4. Arrigan, D.W.M. (2004). Nanoelectrodes, Nanoelectrode Arrays and Their Applications. Analyst. 129:1157-1165.
5. Hatamie, A., He, X., Zhang, X.W., Oomen, P.E., Ewing, A.G. (2023). Advances in Nano/microscale Electrochemical Sensors and Biosensors for Analysis of Single Vesicles, a Key Nanoscale Organelle in Cellular Communication. Biosensors and Bioelectronics. 220:114899.
6. Munk, S.H.M., Maya, J.M., Rubio, A.A., Pappas, G., Mendoza, A. (2023). NAD+ Regulates Nucleotide Metabolism and Genomic DNA Replication. Nature Cell Biology. 25:1774-1786.
7. Hyk, W., Stojek, Z. (2024). Are micro‑ and nanoelectrodes just smaller versions of regular electrodes? Journal of Solid State Electrochemistry. 28:1331-1339.
8. Arrigan, D.W.M. (2008). Nanoelectrodes, Nanoelectrode Arrays and Their Applications. Analyst. 129:1157-1165.

9. Zhang, Y., Li, D., Compton, R.G. (2022). Arsenic (III) Detection with Underpotential Deposition on Gold. Journal of Electroanalytical Chemistry. 909:116154.
10. Munk, S. H. N., Merchut-Maya, J. M., Adelantado Rubio, A., et al. (2023). NAD⁺ regulates nucleotide metabolism and genomic DNA replication. Nature Cell Biology, 25(12), 1774–1786.
11. Munoz, J.L., Coles, J. (19879. Quartz Micropipettes for Intracellular Voltage Micro- electrodes and Ion Selective Microelectrodes. Journal of Neuroscience Methods. 22:57-64.
12. Rae, J.L., Levis, R.A. (1992). A Method for Exceptionally Low Noise Single Channel Recordings. European Journal of Physiology - Pflügers Archiv. 420:618-620.
13. Zuazaga, C., Steinacker, A. (1990). Patch-clamp Recording of Ion Channels: Interfering Effects of Patch Pipette Glass. News in Physiological Science. 5:155-159.
14. Lim, K., Goines, S., Demg, M., Dick, J.E. (2023). A Troubleshooting Guide for Laser Pulling Platinum Nanoelectrodes. Analyst. 148(13):2992-3001.
15. Cox, J., Guerette, J., Zhang, B. (2012). Steady-State Voltammetry of a Microelectrode in a Closed Bipolar Cell. Analytical Chemistry. 84(20):8797-8804.
16. Dickinson, E.J.F., Compton, R.G. (2011). Influence of the Diffuse Double Layer on Steady-state Voltammetry. Journal of Electroanalytical Chemistry. 661:198–212.
17. Koo, K.M., Kim, C.D., Kim, T.H. (2024). Recent Advances in Electrochemical Detection of Cell Energy Metabolism. Biosensors (Basel). 14(1):46.
18. Sarakatsanou, C., Karastogianni, S., Girousi, S. (2023). Romising Electrode Surfaces, Modified with Nanoparticles, in the Sensitive and Selective Electroanalytical Determination of Antibiotics. Applied Science. 13(9): 5391;
19. Lee, J.K., Suh, H.N., Yoon, S.H., Lee, K.H., Ahn, S.Y. (2022). Non-Destructive Monitoring via Electrochemical NADH Detection in Murine Cells. Biosensors (Basel) 10;12(2):107.