Elektrokemisk Skruening af tynde film platin makro og Mikroelektroder
Summary
Denne protokol demonstrerer en metode til elektrokemisk skruening af tynde film platin elektroder uden præference opløsning ved korn grænser. De elektrokemiske teknikker for cyklisk voltammetri og impedans spektroskopi er påvist at karakterisere disse elektrode overflader.
Abstract
Denne protokol demonstrerer en metode til elektrokemisk skruening af tynde film platin elektroder uden præference opløsning ved kornets afgrænsning af metallet. Ved hjælp af denne metode, en revne fri, tynd-film makro elektrode overflade med op til 40 gange stigning i aktive overfladeareal blev opnået. Ruening er let at gøre i en standard elektrokemiske karakterisering laboratorium og samt modificeret snigeorienteret anvendelsen af spændings impulser efterfulgt af udvidet anvendelse af en reduktiv spænding i en perchlorsyre opløsning. Protokollen omfatter den kemiske og elektrokemiske forberedelse af både en makro skala (1,2 mm diameter) og mikroskala (20 μm diameter) platin plade elektrode overflade, skrub ende elektrode overflade og karakterisering af virkningerne af overflade skrub på elektrode aktive overfladeareal. Denne elektrokemiske karakterisering omfatter cyklisk voltammetri og impedans spektroskopi og er påvist for både makro elektroderne og mikroelektroderne. Skrubning øger elektrodernes aktive overfladeareal, nedsætter elektrode impedansen, øger platin opladnings Indsprøjtnings grænserne for titanium nitrid-elektroder af samme geometri og forbedrer substrater for vedhæftning af elektrokemisk deponerede film .
Introduction
Næsten fem årtier siden, den første observation af overflade forstærket Raman spektroskopi (SERS) opstod på elektrokemisk ru sølv1. Elektrokemisk skruening af metal folier er stadig attraktiv i dag på grund af sin enkelhed frem for andre skruening metoder2,3 og dens anvendelighed i mange applikationer som forbedring af aptamer sensorer4, forbedring af neurale sonder5og forbedring af vedhæftning til metal substrater6. Elektrokemiske skruening metoder findes for mange bulk metaller1,5,7,8,9,10. Indtil for nylig var der imidlertid ingen rapport om anvendelsen af elektrokemisk skrubbearbejdning til tynde (hundredvis af nanometer tykke) metalfilm6, på trods af udbredelsen af mikroproducerede tynde film metal elektroder i en række områder.
Etablerede metoder til at ru tykke platin (PT) elektroder5,8 delaminat tynde film PT elektroder6. Ved at modulerere hyppigheden af skruening og den elektrolyt, der blev anvendt til ruening, demonstrerede Ivanovskaya et al. PT tynd film skruening uden delaminering. Denne publikation fokuserede på at bruge denne nye tilgang til at øge overfladearealet af platin optagelse og stimulation elektroder på mikrofabrikeret neurale sonder. De ru elektroder blev demonstreret for at forbedre optagelsen og stimulering ydeevne og forbedre vedhæftning af elektrokemisk deponerede film og forbedre biosensor følsomhed6. Men denne tilgang også sandsynligvis forbedrer overfladerensning af mikrofabrikeret elektrode arrays og forbedrer mulighederne for tynde film elektroder til andre sensor applikationer (f. eks, aptasensors) samt.
Fremgangsmåden til at grovgøre tynde film-makro elektroder (1,2 mm diameter) og mikroelektroder (20 μm diameter) er beskrevet i følgende protokol. Dette omfatter klargøring af elektrodeoverfladen til skruening og hvordan man kan karakterisere ruhed af elektroden. Disse trin er præsenteret sammen med tips om, hvordan man optimerer skruening procedure for andre elektrode geometrier og de vigtigste faktorer for at sikre en elektrode er skruet udestruktivt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den elektrokemiske skruening af tynde film makro elektroder og mikroelektroder er mulig med oxidations reducerende pulserende. Denne enkle fremgangsmåde kræver flere nøgleelementer til ikke-destruktivt at ru tynde film elektroder. I modsætning til folie kan grovbearbejdning af tynde metalfilm føre til ødelæggelse af prøver, hvis parametrene ikke vælges korrekt. Kritiske parametre for skruening procedure er puls amplitude, varighed og frekvens. Derudover er det vigtigt at sikre elektrode renholdelse og perchlorsy…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke Lawrence Livermore national laboratoriums Center for Bioengineering for støtte under forberedelsen af dette manuskript. Professor Loren Frank er venligt anerkendt for sit samarbejde med den gruppe, der har aktiveret fabrikation og design af tynd-film PT microarrays diskuteret i ovenstående arbejde. Dette arbejde blev udført under ledelse af det amerikanske energiministerium af Lawrence Livermore National Laboratory under kontrakt DE-AC52-07NA27344 og finansieret af Lab instrueret forskning og udvikling Award 16-ERD-035. LLNL IM Release 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).
