Elektrokemisk grov bearbetning av thin-film Platinum makro och Mikroelektroder
Summary
Detta protokoll visar en metod för elektrokemisk förhårdning av tunn Films platina elektroder utan preferens upplösning vid korn gränser. De elektrokemiska teknikerna av cyklisk voltametri och impedansspektroskopi demonstreras för att karakterisera dessa elektrod ytor.
Abstract
Detta protokoll visar en metod för elektrokemisk förhårdning av tunn Films platina elektroder utan preferens upplösning vid korn gränser av metallen. Med denna metod, en spricka fri, tunn Films-makroelektrod yta med upp till 40 gånger ökning i aktiv yta erhölls. Den ruvande är lätt att göra i en standard elektrokemisk karakterisering laboratorium och inkluderar tillämpningen av spännings pulser följt av utökad tillämpning av en reduktiv spänning i en perklorsyralösning. Protokollet innehåller den kemiska och elektrokemiska beredningen av både en makroskala (1,2 mm diameter) och Micro (20 μm diameter) platina skiva elektrod yta, grov bearbetning av elektrod ytan och karakterisera effekterna av ytjämnhet på aktiva ytan på elektroden. Denna elektrokemiska karaktärisering omfattar cyklisk voltametri och impedansspektroskopi och demonstreras för både makro elektroder och mikroelektroder. Ruggning ökar elektrodens aktiva yta, minskar elektrodens impedans, ökar laddnings gränserna för platina till de av Titan nitridelektroder av samma geometri och förbättrar substrat för vidhäftning av elektrokemiskt deponerade filmer .
Introduction
Nästan fem decennier sedan, den första observationen av ytan förstärkt Raman spektroskopi (SERS) inträffade på elektrokemiskt hårdnat silver1. Elektrokemisk grov bearbetning av metallfolie är fortfarande attraktiv idag på grund av dess enkelhet jämfört med andra ruvande metoder2,3 och dess användbarhet i många tillämpningar som att förbättra Aptamer sensorer4, förbättra neurala prober5och förbättrad vidhäftning till metall substrat6. Elektrokemisk Roughening metoder finns för många bulk metaller1,5,7,8,9,10. Fram till nyligen, dock, det fanns ingen rapport om tillämpningen av elektrokemisk förhårdning till tunna (hundratals nanometer tjocka) metall filmer6, trots förekomsten av mikrotillverkade tunn Films metall elektroder i ett antal områden.
Etablerade metoder för att rugga tjocka platina (PT) elektroder5,8 delaminate thin-film PT elektroder6. Genom att modulera frekvensen av ruvande förfarandet och elektrolyten som används för den ruvande, Ivanovskaya et al. visade PT tunn Films-ruvande utan delaminering. Denna publikation fokuserade på att använda denna nya metod för att öka ytan av platina inspelning och stimulering elektroder på mikrofabricerade neurala sonder. De ruinerade elektroderna demonstrerades för att förbättra prestanda för inspelning och stimulering och förbättra vidhäftningen av elektrokemiskt deponerade filmer och förbättra känslighet för bio sensorer6. Men detta tillvägagångs sätt också sannolikt förbättrar ytan rengöring av mikrofabricerade elektrod arrayer och förbättrar kapaciteten hos tunn Films elektroder för andra sensor applikationer (t. ex. aptasensors) samt.
Metoden för att ruta tunn Films makro elektroder (1,2 mm i diameter) och mikroelektroder (20 μm i diameter) beskrivs i följande protokoll. Detta inkluderar beredning av elektrod ytan för ruvande och hur man karakteriserar ojämnheten hos elektroden. Dessa steg presenteras tillsammans med tips om hur man optimerar ojämnhe-proceduren för andra elektrod geometrier och de viktigaste faktorerna för att säkerställa att en elektrod ruggas icke-destruktivt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den elektrokemiska förhårdning av tunnfilms-makroelektroder och mikroelektroder är möjlig med oxidation-reducering Pulsing. Denna enkla metod kräver flera viktiga element för nondestruktivt rugga tunn Films elektroder. Till skillnad från folier kan grov bearbetning av tunna metall filmer leda till prov förstörelse om parametrarna inte väljs korrekt. De kritiska parametrarna för upprusnings proceduren är pulsamplitud, varaktighet och frekvens. Att säkerställa att elektrodens renhet och perklorsyrarenhet för…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Lawrence Livermore nationellt laboratorium ‘ s Center för bio teknik för stöd under utarbetandet av detta manuskript. Professor Loren Frank är vänligt erkänd för sina samarbeten med den grupp som har möjliggjort tillverkning och design av tunn-film PT Microarrays diskuteras i ovanstående arbete. Detta arbete utfördes under överinseende av det amerikanska energi departementet av Lawrence Livermore nationella laboratoriet under kontrakt DE-AC52-07NA27344 och finansieras av Lab riktad forskning och utveckling Award 16-ERD-035. LLNL IM frige 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).
