Elektrokjemiske Roughening av Thin-Film Platinum makro og Microelectrodes
Summary
Denne protokollen demonstrerer en metode for elektrokjemiske roughening av tynn-film platina elektroder uten fortrinnsrett oppløsning på korn grenser. Elektrokjemiske teknikker for syklisk voltammetri og impedans spektroskopi er demonstrert for å karakterisere disse elektrode overflatene.
Abstract
Denne protokollen demonstrerer en metode for elektrokjemiske roughening av tynn-film platina elektroder uten fortrinnsrett oppløsning på korn grensene av metallet. Ved hjelp av denne metoden, en sprekk gratis, tynn-film macroelectrode overflate med opptil 40 ganger økning i aktiv overflateområdet ble innhentet. Roughening er lett å gjøre i en standard elektrokjemiske karakterisering laboratorium og inkludert anvendelse av spennings pulser etterfulgt av utvidet anvendelse av en reductive penning i en perklorsyreblank syre løsning. Protokollen omfatter den kjemiske og elektrokjemiske utarbeidelse av både en macroscale (1,2 mm diameter) og Mikroskala (20 μm diameter) platina plate elektrode overflate, roughening elektroden overflaten og karakteriserer virkningene av overflaten roughening på et aktivt overflate område for elektroden. Dette elektrokjemiske karakterisering inkluderer syklisk voltammetri og impedans spektroskopi og er demonstrert for både macroelectrodes og microelectrodes. Roughening øke elektrode aktiv overflateareal, reduserer elektrode impedans, øker platina lade injeksjon grenser til de av titan nitride elektroder av samme geometri og forbedrer underlag for vedheft av elektrokjemisk avsatt filmer .
Introduction
Nesten fem ti år siden, den første observasjon av overflaten forbedret Raman spektroskopi (SERS) skjedde på elektrokjemisk ru sølv1. Elektrokjemiske roughening av metall folier er fortsatt attraktiv i dag på grunn av sin enkelhet over andre roughening metoder2,3 og dens nytte i mange programmer som å forbedre aptamer sensorer4, forbedre neural sonder5, og forbedre vedheft til metall underlag6. Elektrokjemiske roughening metoder finnes for mange bulk metaller1,5,7,8,9,10. Inntil nylig var det imidlertid ingen rapport om anvendelsen av elektrokjemiske roughening til tynne (hundrevis av nanometer tykke) metall filmer6, til tross for utbredelsen av microfabricated tynn-film metall elektroder i en rekke felt.
Etablerte metoder for å gjøre ujevn tykke platina (PT) elektroder5,8 delaminate tynne-film PT elektroder6. Ved modulerende hyppigheten av roughening prosedyren og elektrolytt som brukes for roughening, Ivanovo et al. demonstrert PT tynn-film roughening uten delaminering. At publikasjonen fokuserte på å bruke denne nye tilnærmingen for å øke arealet av platina opptak og stimulering elektroder på microfabricated nevrale sonder. De ru elektrodene ble demonstrert for å forbedre opptak og stimulering ytelse og forbedre vedheft av elektrokjemisk avsatt filmer og forbedre Biosensor følsomhet6. Men denne tilnærmingen også forbedrer overflate rensing av microfabricated elektrode arrays og forbedrer egenskapene til tynn-film elektroder for andre sensor applikasjoner (f. eks, aptasensors) også.
Tilnærmingen til gjøre ujevn Thin-Film macroelectrodes (1,2 mm diameter) og microelectrodes (20 μm diameter) er beskrevet i følgende protokoll. Dette inkluderer utarbeidelse av elektrode overflaten for roughening og hvordan man karakteriserer elektroden. Disse trinnene er presentert sammen med tips om hvordan du optimaliserer roughening prosedyren for annen elektrode geometri og de viktigste faktorene for å sikre en elektrode er ru destruktiv.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den elektrokjemiske roughening av Thin-Film macroelectrodes og microelectrodes er mulig med oksidasjon-reduksjon pulserende. Denne enkle tilnærmingen krever flere viktige elementer for å destruktiv gjøre ujevn Thin-Film elektroder. I motsetning til folier kan roughening av tynne metall filmer føre til prøve ødeleggelse hvis parametrene ikke er riktig valgt. Kritiske parametre for roughening prosedyren er puls amplitude, varighet og frekvens. I tillegg sikrer elektroden renslighet og perklorsyreblank syre renhet fø…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gjerne takke Lawrence Livermore National Laboratory ‘ s Center for bioteknologi for støtte under utarbeidelsen av dette manuskriptet. Professor Loren Frank er vennlig anerkjent for sitt samarbeid med gruppen som har aktivert fabrikasjon og design av tynn-film PT Microarrays diskutert i ovennevnte arbeid. Dette arbeidet ble utført i regi av det amerikanske Department of Energy av Lawrence Livermore nasjonale laboratorium under kontrakt DE-AC52-07NA27344 og finansiert av lab regissert forskning og utvikling Award 16-ERD-035. INTERVJU IM løslate intervju-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 |
References
- 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).
