Elektrochemische ruwen van dun-film platina macro en micro-elektroden
Summary
Dit protocol toont een methode voor elektrochemische ruwen van dunne-film platina elektroden zonder preferentiële ontbinding bij graan grenzen. De elektrochemische technieken van cyclische voltammetry en impedantie spectroscopie worden aangetoond om deze elektrode oppervlakten te kenmerken.
Abstract
Dit protocol toont een methode voor elektrochemische ruwen van dunne-film platina elektroden zonder preferentiële ontbinding bij graan grenzen van het metaal. Gebruikend deze methode, werd een barst vrij, dun-film macroelectrode oppervlakte met maximaal 40 keer verhoging van actieve oppervlakte verkregen. De ruwen is gemakkelijk te doen in een standaard elektrochemische karakterisering laboratorium en incudes de toepassing van Spanningspulsen, gevolgd door een uitgebreide toepassing van een reductieve spanning in een perchloric zuuroplossing. Het protocol omvat de chemische en elektrochemische voorbereiding van zowel een macroniveau (1,2 mm diameter) en Microscale (20 µm diameter) platina disc elektrode oppervlak, ruwen de elektrode oppervlak en karakteriseren van de effecten van de oppervlakte ruwen op de actieve oppervlakte van de elektrode. Deze elektrochemische karakterisering omvat cyclische voltammetry en impedantie spectroscopie en is aangetoond voor zowel de macroelectrodes en de microelektrodes. Ruwen verhoogt elektrode actieve oppervlakte, vermindert elektrode impedantie, verhoogt platina lading injectie grenzen aan die van titaniumnitride elektroden van dezelfde geometrie en verbetert substraten voor de adhesie van elektrochemisch gedeponeerde films .
Introduction
Bijna vijf decennia geleden, de eerste observatie van oppervlakte verbeterde Raman spectroscopie (SERS) gebeurde op elektrochemisch geruwd zilver1. Elektrochemische ruwen van metaalfolies is nog aantrekkelijk vandaag wegens zijn eenvoud over andere ruwen methodes2,3 en zijn nut in vele toepassingen als het verbeteren van aptamer sensoren4, het verbeteren van neurale sondes5, en het verbeteren van adhesie aan metaal substraten6. Elektrochemische ruwen methodes bestaan voor vele bulk metalen1,5,7,8,9,10. Tot voor kort was er echter geen verslag over de toepassing van elektrochemische ruwen te dun (honderden nanometers dik) Metal films6, ondanks de prevalentie van microfabriced dunne-film metalen elektroden in een aantal gebieden.
Gevestigde methodes om dik te ruwen platina (PT) elektroden5,8 de dunne-film van PT elektroden6. Door het moduleren van de frequentie van de ruwen procedure en de elektrolyt gebruikt voor de voor de ruwen, Ivanovskaya et al. aangetoond PT thin-film ruwen zonder delaminering. Die publicatie concentreerde zich op het gebruiken van deze nieuwe benadering om de oppervlakte van platina opname en stimulatie elektroden op microfabriced neurale sondes te verhogen. De geruwd elektroden werden aangetoond om de opname en stimulatie prestaties te verbeteren en de adhesie van elektrochemisch gedeponeerde films te verbeteren en biosensor gevoeligheid6te verbeteren. Maar deze benadering ook waarschijnlijk verbetert oppervlaktereiniging van microfabriced elektrode arrays en verbetert de mogelijkheden van dunne-film elektroden voor andere sensor toepassingen (bijv. aptasensors) ook.
De benadering van ruwen thin-film macroelectrodes (1,2 mm diameter) en micro-elektroden (20 µm diameter) wordt beschreven in het volgende protocol. Dit omvat de voorbereiding van de elektrode oppervlak voor ruwen en hoe de ruwheid van de elektrode karakteriseren. Deze stappen worden gepresenteerd samen met tips over hoe het optimaliseren van de ruwen procedure voor andere elektrode geometrieën en de belangrijkste factoren om ervoor te zorgen een elektrode is geruwd niet-destructief.
Protocol
Representative Results
Discussion
De elektrochemische ruwen van thin-film macroelectrodes en micro-elektroden is mogelijk met oxidatie-reductie Pulsing. Deze eenvoudige aanpak vergt een aantal belangrijke elementen om niet-destructief ruwe dunne-film elektroden. In tegenstelling tot folies, ruwen van dunne metalen films kan leiden tot monster vernietiging als parameters zijn niet goed gekozen. De kritieke parameters van de ruwen procedure zijn impuls omvang, duur en frequentie. Bovendien, zorgen voor elektrode reinheid en perchloric zuur zuiverheid voora…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen het centrum voor Bioengineering van het nationaal laboratorium van Lawrence Livermore voor ondersteuning tijdens de voorbereiding van dit manuscript bedanken. Professor Loren Frank is vriendelijk erkend voor zijn samenwerking met de groep die in staat hebben gesteld fabricage en ontwerp van de thin-film PT arrays besproken in het bovenstaande werk. Dit werk werd uitgevoerd onder auspiciën van het Amerikaanse ministerie van energie door Lawrence Livermore National Laboratory onder contract DE-AC52-07NA27344 en gefinancierd door Lab gericht onderzoek en ontwikkeling Award 16-ERD-035. LLNL IM versie 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 |
Referencias
- 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).
