Roughening électrochimique de macro et microélectrodes de platine de film mince
Summary
Ce protocole démontre une méthode pour le roughening électrochimique des électrodes de platine à couches minces sans dissolution préférentielle aux limites du grain. Les techniques électrochimiques de la voltamétrie cyclique et de la spectroscopie d’impédance caractérisent ces surfaces d’électrode.
Abstract
Ce protocole démontre une méthode de rugissement électrochimique des électrodes de platine à couches minces sans dissolution préférentielle aux limites du grain du métal. À l’aide de cette méthode, une surface de macroélectrode sans fissure et à couches minces avec jusqu’à 40 fois l’augmentation de la surface active a été obtenue. Le rugissement est facile à faire dans un laboratoire de caractérisation électrochimique standard et incudes l’application des impulsions de tension suivie par l’application prolongée d’une tension réductrice dans une solution d’acide perchlorique. Le protocole comprend la préparation chimique et électrochimique d’une surface d’électrode à disque de platine à l’échelle macro-métrique (1,2 mm de diamètre) et à microéchelle (20 m de diamètre), à la rugosité de la surface de l’électrode et à la caractérisation des effets de la rugissement de surface sur surface active des électrodes. Cette caractérisation électrochimique comprend la spectroscopie cyclique de voltamétrie et d’impédance et est démontrée pour les macroélectrodes et les microélectrodes. La rugissement augmente la surface active des électrodes, diminue l’entrave à l’électrode, augmente les limites d’injection de charge de platine à celles des électrodes de nitride de titane de même géométrie et améliore les substrats pour l’adhérence des films déposés électrochimiquement .
Introduction
Il y a près de cinq décennies, la première observation de la spectroscopie Raman améliorée de surface (SERS) s’est produite sur l’argent électrochimiquement rugueux1. Roughening électrochimique des foils métalliques est toujours attrayant aujourd’hui en raison de sa simplicité sur d’autres méthodes de rugissement2,3 et son utilité dans de nombreuses applications comme l’amélioration des capteurs aptamer4, l’amélioration neuronale sondes5, et l’amélioration de l’adhérence aux substrats métalliques6. Des méthodes de rugosité électrochimique existent pour de nombreux métaux en vrac1,5,7,8,9,10. Jusqu’à récemment, cependant, il n’y avait aucun rapport sur l’application de la rugosité électrochimique à mince (des centaines de nanomètres d’épaisseur) films métalliques6, en dépit de la prévalence des électrodes métalliques à couches minces microfabriquées dans un certain nombre de domaines.
Méthodes établies pour ruguer les électrodes de platine épais (Pt)5,8 délaminés à couches minces Pt électrodes6. En modulant la fréquence de la procédure de roughening et de l’électrolyte utilisé pour le pour le rugissement, Ivanovskaya et autresont démontré pt roughening mince-film sans délamination. Cette publication s’est concentrée sur l’utilisation de cette nouvelle approche pour augmenter la surface des électrodes d’enregistrement et de stimulation du platine sur les sondes neuronales microfabriquées. Les électrodes rugueuses ont été démontrées pour améliorer les performances d’enregistrement et de stimulation et améliorer l’adhérence des films déposés électrochimiquement et améliorer la sensibilité au biocapteur6. Mais cette approche améliore probablement également le nettoyage de surface des réseaux d’électrodes microfabriquées et améliore les capacités des électrodes à couches minces pour d’autres applications de capteurs (p. ex., des aptasensors).
L’approche pour ruguer les macroélectrodes à couches minces (1,2 mm de diamètre) et les microélectrodes (20 m de diamètre) est décrite dans le protocole suivant. Cela comprend la préparation de la surface de l’électrode pour le rugissement et la façon de caractériser la rugosité de l’électrode. Ces étapes sont présentées avec des conseils sur la façon d’optimiser la procédure de roughening pour d’autres géométries d’électrodes et les facteurs les plus importants pour s’assurer qu’une électrode est rugueuse non destructive.
Protocol
Representative Results
Discussion
La rugosité électrochimique des macroélectrodes et des microélectrodes à couches minces est possible avec des pulsations d’oxydation-réduction. Cette approche simple nécessite plusieurs éléments clés pour les électrodes à couches minces non destructivement rugueuses. Contrairement aux foils, le durcissement des couches métalliques minces peut entraîner la destruction de l’échantillon si les paramètres ne sont pas correctement choisis. Les paramètres critiques de la procédure de roughening sont l’amplitu…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tient à remercier le Centre de bioingénierie du Lawrence Livermore National Laboratory pour son soutien lors de la préparation de ce manuscrit. Le professeur Loren Frank est aimablement reconnu pour ses collaborations avec le groupe qui ont permis la fabrication et la conception des microréseaux Pt à couches minces discutés dans les travaux ci-dessus. Ce travail a été effectué sous les auspices du département de l’Énergie des États-Unis par lawrence Livermore National Laboratory dans le cadre du contrat DE-AC52-07NA27344 et financé par Lab Directed Research and Development Award 16-ERD-035. LLNL IM communiqué 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).
