Desbaste electroquímico de macro y microelectrodos de platino de película delgada
Summary
Este protocolo demuestra un método de desbaste electroquímico de electrodos de platino de película delgada sin disolución preferencial en los límites del grano. Se ha demostrado que las técnicas electroquímicas de voltammetría cíclica y espectroscopia de impedancia caracterizan estas superficies de electrodos.
Abstract
Este protocolo demuestra un método de desbaste electroquímico de electrodos de platino de película delgada sin disolución preferencial en los límites del grano del metal. Usando este método, se obtuvo una superficie de macroelectrodo de película delgada libre de grietas con hasta 40 veces aumento en la superficie activa. El desbaste es fácil de hacer en un laboratorio de caracterización electroquímica estándar e incude la aplicación de pulsos de voltaje seguidos de la aplicación extendida de una tensión reductiva en una solución de ácido perclórico. El protocolo incluye la preparación química y electroquímica de una macroescala (1,2 mm de diámetro) y microescala (20 m de diámetro) superficie del electrodo de disco platino, desbaste de la superficie del electrodo y caracterizar los efectos de la desbaste de la superficie en superficie activa del electrodo. Esta caracterización electroquímica incluye voltammetría cíclica y espectroscopia de impedancia y se demuestra tanto para los macroelectrodos como para los microelectrodos. El desbaste aumenta la superficie activa del electrodo, disminuye la impedancia del electrodo, aumenta los límites de inyección de carga de platino a los de los electrodos de nitruro de titanio de la misma geometría y mejora los sustratos para la adhesión de películas depositadas electroquímicamente .
Introduction
Hace casi cinco décadas, la primera observación de la espectroscopia Raman mejorada en superficie (SERS) se produjo en la plata electroquímicamente rugosa1. El desbaste electroquímico de láminas metálicas sigue siendo atractivo hoy en día debido a su simplicidad sobre otros métodos de desbaste2,3 y su utilidad en muchas aplicaciones como la mejora de los sensores de aptámero4, mejorar las neurales sondas5, y mejorando la adhesión a los sustratos metálicos6. Existen métodos de desbaste electroquímicos para muchos metales a granel1,5,7,8,9,10. Hasta hace poco, sin embargo, no había ningún informe sobre la aplicación de desbaste electroquímico a películas metálicas delgadas (cientos de nanómetros de espesor)6, a pesar de la prevalencia de electrodos metálicos de película delgada microfabricados en una serie de campos.
Métodos establecidos para áspera ralladura de electrodos de platino grueso (Pt)5,8 electrodos Pt de película delgada delaminados6. Al modular la frecuencia del procedimiento de rugoso y el electrolito utilizado para el rugoso, Ivanovskaya et al. demostraron el rugoso de la película delgada pt sin delaminación. Esa publicación se centró en el uso de este nuevo enfoque para aumentar la superficie de los electrodos de grabación y estimulación de platino en sondas neuronales microfabricadas. Se demostró que los electrodos rugosos mejoraron el rendimiento de grabación y estimulacióny mejoran la adherencia de las películas depositadas electroquímicamente y mejoran la sensibilidad del biosensor 6. Pero este enfoque también probablemente mejora la limpieza superficial de matrices de electrodos microfabricados y mejora las capacidades de los electrodos de película delgada para otras aplicaciones de sensores (por ejemplo, aptasensores) también.
El enfoque de los macroelectrodos de película delgada rugosa (1,2 mm de diámetro) y los microelectrodos (20 mm de diámetro) se describe en el siguiente protocolo. Esto incluye la preparación de la superficie del electrodo para el desbaste y cómo caracterizar la rugosidad del electrodo. Estos pasos se presentan junto con consejos sobre cómo optimizar el procedimiento de desbaste para otras geometrías de electrodos y los factores más importantes para garantizar que un electrodo se desbaste de forma no destructiva.
Protocol
Representative Results
Discussion
El desbaste electroquímico de macroelectrodos y microelectrodos de película delgada es posible con pulsación de reducción de oxidación. Este enfoque simple requiere varios elementos clave para los electrodos de película delgada rugosa no destructivamente. A diferencia de las láminas, el desbaste de películas metálicas delgadas puede provocar la destrucción de la muestra si los parámetros no se eligen correctamente. Los parámetros críticos del procedimiento de desbaste son la amplitud del pulso, la duración …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores quieren agradecer al Centro de Bioingeniería del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore por su apoyo durante la preparación de este manuscrito. El profesor Loren Frank es amablemente reconocido por sus colaboraciones con el grupo que han permitido la fabricación y el diseño de los microarrays Pt de película delgada discutidos en el trabajo anterior. Este trabajo fue realizado bajo los auspicios del Departamento de Energía de los Estados Unidos por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore bajo el Contrato DE-AC52-07NA27344 y financiado por el Premio de Investigación y Desarrollo Dirigido por El Laboratorio 16-ERD-035. LLNL IM versión LLNL-JRNL-762701.
Materials
| Acetone | Fisher Scientific, Sigma Aldrich or similar | n/a | Laboratory grade |
| EC-Lab Software | Bio-Logic Science Instruments | n/a | For instrument control and data analysis |
| Leakless Silver/Silver Chloride Reference | eDAQ Company, Australia | ET069-1 | Free from chloride anion contamination (or other type of chloride free electrode e.g. Mercury sulfate electrode) |
| Mercury Sulfate & Acid Electrode Kit | Koslow, Scientific Testing Instruments | 5100A | glass, 9mm version |
| Milipore DI water | MilliporeSigma | n/a | Certified resistivity of 18.2 MΩ.cm (at 25°C) |
| Perchloric acid, 99.9985% | Sigma Aldrich | 311421 | High Purity |
| Phosphate-buffered saline | Teknova | P4007 | 10mM PBS with 100mM NaCl, pH 7 or similar product from elsewhere |
| Platinum Wire Auxiliary Electrode (7.5 cm) | BASi | MW-1032 | Counter electrode |
| Pt macroelectrodes | Lawrence Livermore National Laboratory | n/a | 1.2 mm diameter, 250 nm thick Pt disc electrodes insulated in polyimide. More information in Reference 9. |
| Pt microelectrode arrays | Lawrence Livermore National Laboratory | n/a | 20 µm diameter 250 nM thick Pt disc electrodes insulated in polyimide. More information in Reference 9. |
| Sulfuric acid, 99.999% | Sigma Aldrich | 339741 | High Purity |
| UV & Ozone Dry Stripper | Samco | UV-1 | for cleaning electrodes |
| VersaSTAT 4 Potentiostat | AMETEK, Inc. | n/a | Good time resolution for pulsing tests |
| VersaStudio Software | AMETEK, Inc. | n/a | For instrument control |
| VMP-200 Potentiostat | Bio-Logic Science Instruments | n/a | Low current resolution option is preferable for measurements with microelectrodes |
Referências
- Fleischmann, M., Hendra, P. J., McQuillan, A. J. Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode. Chemical Physics Letters. 26 (2), 163-166 (1974).
- Chung, T., et al. Electrode modifications to lower electrode impedance and improve neural signal recording sensitivity. Journal of Neural Engineering. 12 (5), 056018 (2015).
- Green, R. A., et al. Laser patterning of platinum electrodes for safe neurostimulation. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056017 (2014).
- Arroyo-Currás, N., Scida, K., Ploense, K. L., Kippin, T. E., Plaxco, K. W. High Surface Area Electrodes Generated via Electrochemical Roughening Improve the Signaling of Electrochemical Aptamer-Based Biosensors. Analytical Chemistry. 89 (22), 12185-12191 (2017).
- Weremfo, A., Carter, P., Hibbert, D. B., Zhao, C. Investigating the interfacial properties of electrochemically roughened platinum electrodes for neural stimulation. Langmuir. 31 (8), 2593-2599 (2015).
- Ivanovskaya, A. N., et al. Electrochemical Roughening of Thin-Film Platinum for Neural Probe Arrays and Biosensing Applications. Journal of The Electrochemical Society. 165 (12), G3125-G3132 (2018).
- Cai, W. B., et al. Investigation of surface-enhanced Raman scattering from platinum electrodes using a confocal Raman microscope: dependence of surface roughening pretreatment. Surface Science. 406 (1), 9-22 (1998).
- Tykocinski, M., Duan, Y., Tabor, B., Cowan, R. S. Chronic electrical stimulation of the auditory nerve using high surface area (HiQ) platinum electrodes. Hearing Research. 159 (1-2), 53-68 (2001).
- Liu, Y. C., Wang, C. C., Tsai, C. E. Effects of electrolytes used in roughening gold substrates by oxidation-reduction cycles on surface-enhanced Raman scattering. Electrochemistry Communications. 7 (12), 1345-1350 (2005).
- Liu, Z., Yang, Z. L., Cui, L., Ren, B., Tian, Z. Q. Electrochemically Roughened Palladium Electrodes for Surface-Enhanced Raman Spectroscopy: Methodology, Mechanism, and Application. The Journal of Physical Chemistry C. 111 (4), 1770-1775 (2007).
- Rodríguez, J. M. D., Melián, J. A. H., Peña, J. M. Determination of the Real Surface Area of Pt Electrodes. Journal of Chemical Education. 77 (9), 1195-1197 (2000).
- Lvovich, V. F. . Impedance Spectroscopy: Applications to Electrochemical and Dielectric Phenomena. , (2012).
- Tooker, A., et al. Towards a large-scale recording system: demonstration of polymer-based penetrating array for chronic neural recording. Conference proceedings – IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2014, 6830-6833 (2014).
- Tooker, A., et al. Microfabricated polymer-based neural interface for electrical stimulation/recording, drug delivery, and chemical sensing development. Conference proceedings – IEEE Engineering in Medicine and Biology Society. 2013, 5159-5162 (2013).
