Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

التخوى الكهروكيميائي من رقيقة فيلم البلاتين ماكرو وmicroelectrodes

Published: June 30, 2019 doi: 10.3791/59553
Automatic Translation
*1, *1, 1, 2, 1, 1, 1, 1, 1
1Engineering Directorate, Lawrence Livermore National Laboratory, 2Physical and Life Science Directorate, Lawrence Livermore National Laboratory
* These authors contributed equally

Summary

يوضح هذا البروتوكول طريقة لخشونة الكهروكيميائية من أقطاب البلاتين رقيقة الفيلم دون حل تفضيلي في حدود الحبوب. التقنيات الكهروكيميائية من الجهدية الدورية ومقاومة الطيفية ثبت أن تميز هذه السطوح الأقطاب الكهربائية.

Abstract

يوضح هذا البروتوكول طريقة لخشونة الكهروكيميائية من أقطاب البلاتين رقيقة الفيلم دون حل تفضيلي في حدود الحبوب من المعدن. باستخدام هذه الطريقة، تم الحصول على الكراك الحرة، رقيقة فيلم سطح macroelectrode مع ما يصل إلى 40 مرة زيادة في منطقة السطح النشط. الخشونة من السهل القيام به في مختبر التوصيف الكهروكيميائي القياسية وincudes تطبيق نبضات الجهد تليها تطبيق الموسعة من الجهد الاختزالي في محلول حمض البيركلور. ويشمل البروتوكول إعداد كل من الجزيئات (1.2 مم) وسطح الأقطاب الكهربائية الاسطوانية الاسطوانية الاسطوانية المصغرة (20 ميكرو متر) وخشونة سطح القطب الكهربائي وتوصيف آثار الخشونة السطحية على سطح القطب المنطقة السطحية النشطة. ويشمل هذا الوصف الكهروكيميائي التحليل الفولتي الدوري ومنظار مقاومة ويتجلى لكل من الأقطاب الكهربائية والكهربائية الدقيقة. الخشونة يزيد من القطب المنطقة السطحية النشطة، ويقلل من مقاومة القطب الكهربائي، ويزيد من حدود حقن تهمة البلاتين لتلك من أقطاب نيتريد التيتانيوم من نفس الهندسة ويحسن ركائز التصاق الأفلام الإلكتروكيميائية .

Introduction

قبل ما يقرب من خمسة عقود، أول ملاحظة من السطح تعزيز الطيف رامان (SERS) وقعت على الفضة الخشنة كيميائيا1. الخشونة الكهروكيميائية من رقائق معدنية لا تزال جذابة اليوم بسبب بساطتها على طرق الخشونة الأخرى2،3 وفائدتها في العديد من التطبيقات مثل تحسين أجهزة الاستشعار aptamer4، وتحسين العصبية تحقيقات5، وتحسين التصاق إلى ركائز معدنية6. توجد طرق التخذية الكهروكيميائية للعديد من المعادن السائبة1،5،7،8،9،10. حتى وقت قريب، ومع ذلك، لم يكن هناك أي تقرير عن تطبيق الخشونة الكهروكيميائية إلى رقيقة (مئات نانومتر سميكة) الأفلام المعدنية6، على الرغم من انتشار الأقطاب المعدنية رقيقة الفيلم microfabricated في عدد من المجالات.

أنشأت أساليب لخشونة البلاتين سميكة (PT) أقطاب5،8 delaminate رقيقة فيلم PT أقطاب6. من خلال تعديل وتيرة الإجراء الخشن والمنحل الكهربائي المستخدمة لخشونة، وأظهرت Ivanovskaya وآخرون. وركز هذا المنشور على استخدام هذا النهج الجديد لزيادة المساحة السطحية للتسجيل البلاتيني وأقطاب التحفيز على تحقيقات عصبية مجهرية. وقد أظهرت الأقطاب الخشنة لتحسين تسجيل والتحفيز الأداء وتحسين التصاق الأفلام الموجهة بالتحليل الكيميائي وتحسن حساسية الاستشعار الحيوي6. ولكن من المرجح أيضا أن يحسن هذا النهج تنظيف السطح من صفائف الأقطاب الكهربائية المصنعة microfabricat ويعزز قدرات أقطاب رقيقة الفيلم لتطبيقات الاستشعار الأخرى (مثل، aptasensors) كذلك.

ويرد في البروتوكول التالي وصف للنهج المتبع في الأقطاب الكهربائية الكلية الرقيقة (1.2 مم) وmicroelectrodes (20 ميكرو متر قطر) في البروتوكول التالي. ويشمل ذلك إعداد سطح القطب الكهربائي للخشونة وكيفية وصف خشونة القطب الكهربائي. وتقدم هذه الخطوات جنبا إلى جنب مع نصائح حول كيفية تحسين الإجراء الخشن لهندسة القطب الكهربائي الأخرى وأهم العوامل لضمان هو الخشونة القطب غير مدمرة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

تحذير: يرجى الرجوع إلى جميع أوراق بيانات السلامة ذات الصلة (SDS) قبل الاستخدام. وعدة مواد كيميائية مستخدمة في هذا البروتوكول هي مواد سامة ومسببة للسرطان ومؤكسدة ومتفجرة عند استخدامها بتركيزات عالية. قد يكون للمواد النانوية مخاطر إضافية مقارنة بنظيرتها السائبة. يرجى استخدام جميع ممارسات السلامة المناسبة عند تنفيذ هذا البروتوكول بما في ذلك استخدام الضوابط الهندسية (غطاء الدخان) ومعدات الحماية الشخصية (نظارات السلامة، والقفازات، ومعطف المختبر، والسراويل طول كامل، والأحذية مغلقة أصابع الأصابع).

1. تنظيف قطب (ق) حزب العمال قبل التوصيف الأولي والسطحية الخشونة

  1. تنظيف كيميائيا الأقطاب تحت الأوزون مع مختبر الأشعة فوق البنفسجية الأوزون نظافة في 80 درجة مئوية لمدة 10 دقيقة.
  2. نقع جزء من التحقيق التي تحتوي على القطب (ق) في المذيب (على سبيل المثال، 30 دقيقة نقع في الأسيتون لmicroelectrodes أظهرت في هذا البروتوكول).
    ملاحظة: قد تكون الطرق الأخرى أكثر فعالية لإزالة المواد العضوية من الأقطاب الكهربائية اعتمادا على الإسكان الأقطاب الكهربائية والهندسة، ولكن هذا النقع المذيبات يعمل بشكل جيد للأقطاب الكهربائية في البروتوكول.
  3. تنظيف كيميائيا سطح جميع الأقطاب الكهربائية عن طريق ركوب الدراجات المحتملة المتكررة في محلول حمضي من حمض البيركلوريك. لا يحتاج محلول حمض البيركلوريك إلى التطهير لتغيير تركيز أي غازات موجودة.
    1. تحميل الإعدادات على القدرة على تطبيق المخططات الفولتية الدورية (السير الذاتية) على الأقطاب الكهربائية. المسح الضوئي من 0.22 V إلى 1.24 V مقابل Ag | AgCl (أو -0.665 V إلى 0.80 V مقابل القطب المرجعي لكبريتات الزئبق (MSE)، المرجع المستخدم في الخشونة) بمعدل مسح 200 مللي فولت/ثانية.
      ملاحظة: بغض النظر عن المواد المرجعية المستخدمة، يتم إعطاء كافة الإمكانات في هذه الورقة فيما يتعلق Ag | أغكل (مشبعة KCl) القطب المرجعي. الإزاحة المحتملة بين MSE (تحتوي على 1.0 M H2SO4)المستخدمة في هذه الدراسة وAg | AgCl (المشبعة مع KCl)هو 0. 44 V11
      1. في برنامج المختبر EC، ضمن علامة التبويب التجربة، اضغط على + علامة لإضافة تقنية الكهروكيميائية. في النافذة المنبثقة، ستظهر تقنيات الإدراج.
      2. انقر على التقنيات الكهروكيميائية. عندما يتوسع، انقر على تقنيات Voltamperometric. عندما يتوسع ذلك، انقر نقرا مزدوجا على دوري الفولتامي - CV. سوف يظهر سطر 1-CV في نافذة التجربة.
      3. في إطار التجربة، قم بتعبئة المعلمات التالية:
        Ei + 0 V vs Eoc
        dE/dt = 200 mV/s
        E1 = -0.665 V مقابل المرجع
        E2 = 0.8 V مقابل المرجع
        ن = 200
        قياس على مدى آخر 50٪ من مدة الخطوة
        سجل متوسط أكثر من N = 10 خطوات الجهد
        E Range = -2.5؛ 2.5 V
        Irange = السيارات
        عرض النطاق الترددي = 7
        نهاية المسح الضوئي Ef = 0 V مقابل EOC
    2. غمر طرف القطب الكهربائي للجهاز في 500 m perchloric حمض(HClO 4) الحل الذي يحتوي أيضا على قطب عداد سلك الأسلاك ومرجع MSE.
      ملاحظة: لتجنب التعديلات في العمليات الكهروكيميائية من التلوث بالأيونات الكلوريد، وهو قطب مرجعي خال من الكلوريد (على سبيل المثال، Ag غير تسرب| AgCl أو MSE،الخ.) يجب أن تستخدم لجميع الاختبارات التي أجريت داخل الشوارد الحمضية في هذا البروتوكول.
    3. قم بتوصيل قطب كهربائي واحد أو عدة أقطاب كهربائية قصيرة لجهاز متعدد الأقطاب معًا كأقطاب كهربائية عاملة.
    4. قم بتوصيل أقطاب العمل والعداد والمراجع بالكهرباء القوية.
    5. في برنامج EC-Lab، في نافذة التجربة، اضغط على الإعدادات المتقدمة على اليسار.
    6. ضمن إعدادات متقدمة، حدد تكوين القطب = CE إلى الأرض. قم بتوصيل قطب العمل والعداد والإشارة إلى يؤدي الصك كما هو موضح في الرسم التخطيطي للاتصال الكهربائي.
    7. اضغط على زر تشغيل (مثلث أخضر تحت إطار التجربة) لبدء التجربة.
    8. أداء دورات المحتملة المتكررة حتى تظهر بصريا الفولتيماغرامات تتداخل من دورة واحدة إلى أخرى. يحدث هذا عادة بعد 50-200 السير الذاتية.

2. التوصيف الكهروكيميائي لسطح القطب قبل الخشونة

  1. قم بأداء جميع الأوصاف الكهروكيميائية في تكوين الأقطاب الكهربائية الثلاثة المذكور أعلاه في الخطوات 1.3.2 - 1.3.4. يتم إعطاء جميع الإمكانات في الخطوات التالية فيما يتعلق Ag | القطب الإسنادي للأغكل استخدم سلك الـ Pt كأقطاب مضادة. استخدام Ag التقليدية | AgCl القطب لتوصيف أداء في الفوسفات العازلة المالحة (PBS)، ولكن استخدام Ag تسربت | AgCl أو MSE كمرجع لجميع الاختبارات التي أجريت في الحلول الحمضية.
    1. تحميل الإعدادات على القدرة على تطبيق السير الذاتية من -0.22 إلى 1.24 V مقابل Ag | AgCl (أو -0.665 V إلى 0.80 V مقابل MSE) بمعدل مسح 50 مللي فولت/ثانية.
      1. في برنامج المختبر EC، ضمن علامة التبويب التجربة، اضغط على + علامة لإضافة تقنية الكهروكيميائية. في النافذة المنبثقة، ستظهر تقنيات الإدراج.
      2. انقر على التقنيات الكهروكيميائية. عندما يتوسع، انقر على تقنيات Voltamperometric. عندما يتوسع ذلك، انقر نقرا مزدوجا على دوري الفولتامي - CV. سوف يظهر سطر 1-CV في نافذة التجربة.
      3. في إطار التجربة، قم بتعبئة المعلمات التالية:
        Ei + 0 V vs Eoc
        dE/dt = 50 mV/s
        E1 = -0.665 V مقابل المرجع
        E2 = 0.8 V مقابل المرجع
        ن = 10
        قياس على مدى آخر 50٪ من مدة الخطوة
        سجل متوسط أكثر من N = 10 خطوات الجهد |
        E Range = -2.5؛ 2.5 V
        Irange = السيارات
        عرض النطاق الترددي = 7
        نهاية المسح الضوئي Ef = 0 V مقابل EOC
        ملاحظة: الاختلافات الوحيدة بين هذا الإعداد والتي وصفت سابقا في الخطوة 1.3 هي استخدام deoxygenated 500 m HClO4 وضمان استخدام قطب واحد فقط كقطب العمل. في برنامج EC-Lab، في نافذة التجربة، اضغط على الإعدادات المتقدمة على اليسار.
      4. ضمن إعدادات متقدمة، حدد تكوين القطب = CE إلى الأرض. قم بتوصيل قطب العمل والعداد والإشارة إلى يؤدي الصك كما هو موضح في الرسم التخطيطي للاتصال الكهربائي.
      5. اضغط على زر تشغيل (مثلث أخضر تحت إطار التجربة) لبدء التجربة.
      6. أداء دورات المحتملة المتكررة حتى تظهر بصريا الفولتيماغرامات تتداخل من دورة واحدة إلى أخرى.
    2. حساب مساحة سطح القطب من قمم الامتزاز الهيدروجين من السير الذاتية (متداخلة) قابلة للتكرار للغاية باستخدام طريقة J. Rodríguez, et al.11.
      1. تحديد الشحنة المرتبطة بإمتزاز طبقة هيدروجين أحادية الطبقة (Q) على سطح القطب الكهربائي عن طريق دمج ذرتي السيرة الذاتية الكتونيتين بين الإمكانيات التي ينحرف فيها التيار الكاثودية عن طبقة مزدوجة الحالية (Equation 1) والهيدروجين يبدأ التطورEquation 2( ) بعد طرح تهمة المرتبطةEquation 3تهمة أحادية الطبقة ( ). معدل المسح الضوئي (( ( ( )أيضا آثار هذا الامتزاز. استخدام المعادلة أدناه لتحديد Q.
         Equation 4 
        ويمكن الاطلاع على التمثيل الرسومي للمنطقة المتكاملة في ج. رودريغيز وآخرون11.
      2. حساب مساحة سطح فعالة (A) من القطب الكهربائي عن طريق تقسيم Q على كثافة تهمة تشكيل طبقة الهيدروجين أحادية (ك). لسطح PT متعدد البلورات مسطحة ذريًا، ك = 208 ميكروسي/سم2.
        A = Q / ك
    3. إذا تم حل القمم الكاثودية اثنين من السيرة الذاتية PT سيئة، وتقدير مساحة سطح القطب من السعة طبقة مزدوجة في واجهة حل القطب. إن استخدام النهج الموصوف في الخطوة 2-1-1 عندما تكون قمم الهيدروجين غير مُحلة بشكل سيئ سيؤدي إلى نتائج غير دقيقة.
      1. قياس الأطياف المقاومة من قطب واحد تحت ظروف الدائرة المفتوحة في PBS (درجة الحموضة 7.0، 30 mS / سم الموصلية). قم بغمر طرف الأقطاب الكهربائية للجهاز في PBS الذي يحتوي أيضًا على قطب عداد سلك Pt ومرجع MSE. قم بتوصيل قطب كهربائي واحد في كل مرة كقطب يعمل. بعد ذلك، استخدم القدرة على تطبيق موجة علامة مقاومة مع سعة 10 mV على مدى تردد 1 هرتز - 100 كيلو هرتز.
        1. في برنامج المختبر EC، ضمن علامة التبويب التجربة، اضغط على + علامة لإضافة تقنية الكهروكيميائية. في النافذة المنبثقة، ستظهر تقنيات الإدراج.
        2. انقر على التقنيات الكهروكيميائية. عندما يتوسع، انقر على المعاوقة الطيفية. عندما يتوسع ذلك، انقر نقرا مزدوجا على Spectroscopy المقاومة الكهروكيميائية Potentio. 1-PEIS سوف تظهر خط في نافذة التجربة.
      2. في إطار التجربة، قم بتعبئة المعلمات التالية:
        Ei + 0 V vs Eoc
        فاي = 1 هرتز
        FF = 100 كيلو هرتز
        Nd = 6 نقاط في العقد
        في التباعد اللوغاريتمي
        V = 10 mV
        Pw = 0.1
        عدد النا = 3
        NC = 0
        E Range = -2.5؛ 2.5 V
        Irange = السيارات
        عرض النطاق الترددي = 7
      3. في برنامج EC-Lab، في نافذة التجربة، اضغط على الإعدادات المتقدمة على اليسار.
      4. ضمن إعدادات متقدمة، حدد تكوين القطب = CE إلى الأرض. قم بتوصيل قطب العمل والعداد والإشارة إلى يؤدي الصك كما هو موضح في الرسم التخطيطي للاتصال الكهربائي.
      5. اضغط على زر تشغيل (مثلث أخضر تحت إطار التجربة) لبدء التجربة.
    4. تحديد السعة الطبقة المزدوجة من أطياف مقاومة القطب الكهربائي (التي تم جمعها في الخطوة 2-1-4-1) عن طريق تركيب الأطياف بنموذج دائرة مكافئ باستخدام برنامج تحليل المعاوقة.
      ملاحظة: تحليل في نتائج تمثيلية وفي ايفانوفسكايا وآخرون. 6 تم تنفيذها مع أداة تركيب تحليل مقاومة Z صالح.
      1. في برنامج EC-Lab، انقر فوق تحميل ملف البيانات ضمن قائمة قائمة التجربة.
      2. حدد نوع مؤامرة مقاومة الناوقة في شريط القائمة العلوي.
      3. انقر فوق تحليل، ثم حدد التحليل الطيفي المعوق الكهروكيميائي، وانقر فوق Z Fit.
      4. عندما تظهر نافذة منبثقة لـ Z-Fit Bio-Logics، انقر على الزر تحرير
      5. حدد عرض الدائرة مع 2 عناصر واختيار R1 + Q1 من قائمة نماذج الدائرة المكافئة. انقر فوق موافق.
      6. قم بتوسيع قسم الملاءمة في النافذة المنبثقة وتأكد من أن الإعدادات عشوائية + Simplex، توقف عشوائياً عند 5000 تكرار، وتوقف عن الملاءمة على 5000 تكرار.
      7. اضغط على زر حساب ولاحظ الأطياف تناسب الأولية المضافة إلى مؤامرة. اضغط على تصغير ومراقبة تناسب الانتهاء.
      8. اضبط حدود الملاءمة (الدوائر الخضراء) لاستبعاد البيانات الصاخبة أو المشوهة من الملاءمة. ستظهر معلمات الملاءمة المقدرة ضمن قسم النتائج.
    5. تأكد من أن نموذج الدائرة المكافئ ة المحسوب يتناسب مع قطعة من النيكويست من البيانات التي تتضمن مقاومة أوميك (R) في سلسلة بزاوية مرحلة ثابتة (CPE).
      1. لاحظ قيمة السعة المزدوجة (Q) التي تشكل جزءًا من CPE في نموذج الدائرة المكافئ.
      2. تقدير التغير في مساحة السطح كنسبة Q تقاس قبل وبعد الخشونة منذ السعة طبقة مزدوجة (س) يزيد خطيا مع مساحة سطح ية12.

3. التخوّل الكهروكيميائي من القطب الكلي

ملاحظة: يتم دفع الخشونة الكهروكيميائية من خلال سلسلة من نبضات الأكسدة /الخفض التي تؤدي إلى نمو أكسيد وانحلال. في حالة الأنيون الممتز ضعيف (مثل HClO4), ويرافق هذا الانحلال من قبل البلورية PT إعادة ترسب بينما في حالة الامتصاص بقوة أنيون (مثل H2SO4)هذه العملية يؤدي إلى تفضيلية intergrain PT حل يخلق ميكروكرفيس في سطح القطب6. لذلك، استخدام عالية النقاء HClO4 بالكهرباء أمر ضروري لمنع ميكروكرفيس في سطح القطب.

  1. استخدام القدرة على استخدام الجهد البقول مع 2 مللي عرض نبض ة لالأقطاب الكهربائية. ويمكن القيام بهذا الإجراء إما مع أوفيتيوستات على قائمة المواد المصاحبة.
  2. برنامج المعلمات التالية في القدرة على الخشن 1.2 مم قطرها القرص بت ماكروالقطب.
    1. بدء بروتوكول الخشونة مع سلسلة من النبضات الأكسدة / الحد بين-0.15 V (V دقيقة) و 1.9 - 2.1 V (Vماكس)في 250 هرتز مع دورة واجب من 1:1 لمدة 10 - 300 ق. مدة تطبيق النبض يحدد مدى الخشونة، وكلما كان النبض يحدث أكثر خشونة. استخدم الشكل 1 A والمناقشة كدليل للمساعدة في تحديد المعلمات المحددة المطلوبة لتحقيق خشونة سطح معينة.
      1. افتح برنامج VersaStudio.
      2. قم بتوسيع قائمة التجربة وحدد جديد.
      3. في نافذة تحديد الإجراء المنبثقة التي تظهر، اختر نبضات محتملة سريعة وأدخل اسم الملف المطلوب عند المطالبة. سوف يظهر خط نبضات محتملة سريعة ثم تحت علامة التبويب إجراءات ليتم تنفيذها.
      4. قم بملء ما يلي تحت خصائص النبضات السريعة المحتملة/خصائصالنبض. أدخل عدد البقول = 2، المحتملة (V) 1 = -0.39 مقابل المرجع ل0.002 s، والمحتملة (V) 2 = 1.56 مقابل المرجع ل0.002 s.
      5. تحت خصائص المسح الضوئي، قم بملء: الوقت لكل نقطة = 1 s، عدد الدورات: 50000 (لمدة 200 s).
      6. ضمن خصائص الصك، أدخل النطاق الحالي = السيارات.
    2. برنامج القدرة على متابعة مباشرة سلسلة من البقول مع تطبيق مطول من احتمال انخفاض مستمر (-0.15 V (أو -0.59 V مقابل MSE) لمدة 180 ثانية) للحد تماما من أي أكاسيد المنتجة وتثبيت سطح القطب.
      1. في برنامج VersaStudio، اضغط على الزر + لإدراج خطوة جديدة.
      2. انقر نقرا مزدوجا على قياس الكرونوامب.
      3. أدخل المحتملة (V) = -0.59 والوقت لكل نقطة (ق) = 1، والمدة (ق) = 180.
    3. استخدم التمثيل المرئي للنموذج الموضح في الخطوات 3.2.1. و 3.2.2 (الشكل 2) للمساعدة في برمجة القدرة.
      ملاحظة: تختلف المعلمات المحددة لمختلف هندسيات الأقطاب الكهربائية ولكن استخدام المعلمات أعلاه كنقطة انطلاق ثم تتفاوت مدة V ونبضة هو الأسلوب الموصى به لتحسين المعلمات الخشونة للهندسة الهندسية الأخرى. استخدام عالية النقاء HClO4 الحل ضروري لهذه الخطوة.
  3. قم بغمر الأقطاب الكهربائية التي تحتوي على طرف الجهاز في 500 m M HClO4 الذي يحتوي أيضا على قطب عداد سلك الأسلاك والقطب المرجعي MSE. ثم قم بتوصيل قطب كهربائي فردي كقطب يعمل وتطبيق نموذج النبض لخشونة القطب الكهربائي.
  4. في VersaStudio، اضغط على زر تشغيل في القائمة لبدء الخشونة.

4. التخوّل الكهروكيميائي لإلكتروكت

  1. استخدم الأوتيوم التي يمكن أن تطبق نبضات الجهد مع 62.5 μs عرض نبض لroughen microelectrodes. وVMP-300 potentiostat على قائمة المواد ليست قادرة على تطبيق هذه النبضات القصيرة، في حين أن العكس سط4 القدرة على تطبيق النبضات السريعة المطلوبة لخشونة رقيقة فيلم microelectrodes.
  2. برنامج المعلمات التالية في في القدرة لخشونة 20 ميكروالقطب القرص بت قطرها 20 ميكروالقطب ملفقة تدفق مع المواد العازلة. يمكن تطبيق بروتوكول الخشونة على قطب كهربائي واحد أو عدة أقطاب كهربائية قصيرة معا (انظر شرح إضافي في الخطوة 4.3).
    1. بدء بروتوكول الخشونة مع سلسلة من النبضات الأكسدة / الحد بين-0.25 V (V دقيقة) و 1.2 - 1.4 V (Vكحدأقصى) في 4000 هرتز مع دورة واجب من 1:3 (أكسدة: عرض نبض ة الحد) لمدة 100 ق استخدام التوجيه في المناقشة للمساعدة في المناقشة للمساعدة في تحديد المعلمات المحددة المطلوبة لهندسة القطب الكهربائي الأخرى.
      1. افتح برنامج VersaStudio.
      2. قم بتوسيع قائمة التجربة وحدد جديد.
      3. في نافذة تحديد الإجراء المنبثقة التي تظهر، اختر نبضات محتملة سريعة وأدخل اسم الملف المطلوب عند المطالبة. سوف يظهر خط نبضات محتملة سريعة ثم تحت علامة التبويب إجراءات ليتم تنفيذها.
      4. ملء ما يلي تحت خصائص النبضات المحتملة السريعة / خصائص النبض، أدخل عدد البقول = 2، المحتملة (V) 1 = -0.49 مقابل المرجع ل0.0625 مللي ثانية، والمحتملة (V) 2 = 1.06 مقابل المرجع ل0.1875 مللي ثانية.
      5. تحت خصائص المسح الضوئي، قم بملء: الوقت لكل نقطة = 1 s، وعدد الدورات: 400,000 (لمدة 100 s).
      6. ضمن خصائص الصك، أدخل النطاق الحالي = السيارات.
    2. برنامج القدرة على متابعة مباشرة سلسلة من البقول مع إمكانية تخفيض لفترات طويلة (-0.20 V لمدة 180 ق) للحد تماما من أي أكاسيد المنتجة وتثبيت كيمياء سطح القطب.
      1. في برنامج VersaStudio، اضغط على الزر + لإدراج خطوة جديدة.
      2. انقر نقرا مزدوجا على قياس الكرونوامب.
      3. أدخل إمكانية (V) = -0.64 والوقت لكل نقطة (نقاط) = 1 والمدة (ق) = 180.
        ملاحظة: استخدام حل HClO4 عالي النقاء ضروري لهذه الخطوة.
  3. غمر القطب الذي يحتوي على طرف الجهاز في 500 m HClO4 الذي يحتوي أيضا على قطب عداد سلك الأسلاك ومرجع MSE. ثم قم بتوصيل قطب كهربائي فردي أو عدة أقطاب كهربائية قصيرة كقطب يعمل وتطبيق نموذج النبض. في وضع الخلايا القوية، يمكن أن تكون الأقطاب الكهربائية قصيرة عندما مقاومة تتبع داخل الجهاز صغيرة. في هذه الحالة، قطرة أوميك من خلال جهاز لا يكاد يذكر حتى جميع الأقطاب الكهربائية قصيرة سوف تواجه الإمكانات المطبقة.
  4. في VersaStudio، اضغط على زر التشغيل في القائمة في أعلى الشاشة لبدء الخشونة.
    ملاحظة: قد يتطلب التخشين من microelectrodes تعديل المعلمات النابض اعتمادا على الهندسة الكهربائي، تكوين المسالك البولية (على سبيل المثال، عمق بئر لقطب راحة في المواد العازلة). ابدأ بالمعلمات المدرجة هنا وقم بتعديل القيمةالقصوى V لبدء تحسين معلمات الخشونة لمختلف هندسة الأقطاب الكهربائية. ويرد في الجدول 1ملخص للمعلمات النبضية المختلفة لثلاث هندسيات مختلفة .

5. توصيف سطح القطب بعد الخشونة

  1. تحديد الزيادة في المساحة السطحية الفعالة من الأقطاب الكهربائية باستخدام الخطوات 2.1.1-2.1.5.
  2. تحديد الزيادة في المساحة السطحية الفعالة من الميكروالقطب باستخدام الخطوات 2.1.1-2.1.5.
  3. لاحظ التغيرات في ظهور القطب الكهربائي بعد الخشونة في المجهر البصري كفقدان لمعان المعادن (انظر النتائج التمثيلية) وفي المسح المجهري الإلكتروني (SEM)6 كانخفاض واضح في نعومة السطح.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

يظهر مخطط يظهر تطبيق الجهد لتخوى كل من الأقطاب الكهربائية وmicroelectrodes في الشكل 2. يمكن استخدام المجهر البصري لتصور الفرق في مظهر الكهربا (الشكل3)أو microelectrode (الشكل4). وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تظهر بسهولة توصيف الكهروكيميائية لسطح PT باستخدام الطيف المقاومة والجهدية الدورية زيادة المساحةالسطحية النشطة من الكهربا (الشكل1)وmicroelectrode ( الشكل 5). العلاقة بين خشونة السطح وعدد النبضات الخشنة المطبقة (مدة النبض) تظهر للأقطاب الكهربائية الكلية في الشكل 4. لكل هندسة جديدة للقطب الكهربائي، داخل كل من أنظمة الأقطاب الكهربائية الكلية وmicroelectrode، من المرجح أن تكون هناك حاجة إلى تحسين المعلمات الخشنة للحصول على السطح المثالي خشن لتطبيقات مختلفة. ويقدم الجدول 1 مثالاً على بارامترات الخشونة المختلفة لزيادة مساحة السطح النشطة للقطب الكهربائي إلى أقصى حد لهندسة الأقطاب الكهربائية المختلفة.

Figure 1
الشكل 1 . الخشن PT التوصيف الكهربائي الكهربائي. (A) عامل خشونة كدالة لمدة النبض أثناء التخوّر من الأقطاب الكهربائية الكلية (1.2 مم قطر) في 0.5 M HClO4 معV ماكس= 1.9 V وVدقيقة= -0.15 V، 250 نبضة هرتز تطبق لفترات مختلفة. (ب) قياس الفولتامتر اتسال (معدل المسح الضوئي 100 mV /s) من قطب كهربائي رباعي في 0.5 M HClO4 معV max= 1.9 V سعة النبض، 250 هرتز 300 s النبض مما أدى إلى زيادة مساحة 44x قياسها في 0.5 M HClO4 قبل (الأزرق) و بعد (الأحمر) الخشونة. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2 . مخطط ية من الجهد النابض نموذج لالكهربة الكهربائي. يبدأ الخشونة بسلسلة من نبضات الأكسدة/الاختزال بين القدرة المخفضة،السلبية عادة (V min) والأكسدة، والمحتملة الإيجابية عادة (Vmax)يليها مباشرة تطبيق طويل الأمد وثابت من القدرة على الاختزال للحد تماما من أي أكاسيد تنتجها النبض وتثبيت كيمياء سطح القطب. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3 . صور المجهر البصري من الأقطاب الكهربائية الكهربائية. سطح القطب (A) كما تلعثم قبل الخشونة و (ب)بعد الخشونة في حل حمض البيركلور. توجد معلمات الخشونة في الجدول 1. يبلغ قطر كل قطب كهربائي 1.2 مم. يمكن رؤية SEM من السطوح القطب في Ivanovskaya, وآخرون. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. 

Figure 4
الشكل 4 . صور المجهر البصري من الأقطاب الدقيقة PT خشونة في محلول حمض البيركلور. تم العثور على معلمات الخشونة في الجدول1 مع سعة Vكحد أقصى والفرق الوحيد بين الأقطاب الكهربائية هو مبين هنا. من اليسار إلى اليمين Vالحد الأقصى = (A)1.2 ، (B) 1.3 ، (C) 1.4 (V مقابل Ag | "أغ سي ال" يبلغ قطر كل قطب كهربائي 20 ميكرومتر. يمكن رؤية SEM من السطوح القطب في Ivanovskaya, وآخرون. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5 . التوصيف الكهربائي الكهربائي لـ PT الخشن. (أ) مقاومة الكهربة الكهربائية الدقيقة (20 ميكرومتر القرص) في PBS. أما المعاوقة المقيسة (الدائرة السوداء) على نطاق التردد 10 هرتز - كيلو هرتز 100 تظهر مضافاإليها المعاوقة المنمذجة (x الأحمر) من نموذج الدائرة المكافئ. (ب) قياس الفولتامتر اتّسالي (معدل المسح الضوئي 500 mV/s) من pt microelectrode خشونة في 0.5 M HClO4 معV ماكس= 1.4 V نبض السعة قياس قبل (الأزرق) وبعد (الأحمر) خشونة. القطب الخشن لديه 2.6x زيادة المساحة السطحية النشطة تحسب من نسبة عوامل خشونة وصفها في الخطوة 2.1.3 (خشونة السطح قبل = 1.48، خشونة السطح بعد = 3.8). الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

البقول المحتملة ثابت عامل خشونة
(أ) مقدرة من السيرة الذاتية
(ب) تقديرات من الـIsis
المحتمله
الهندسة الكهربائي Vدقيقة Vماكس تردد (هرتز) دورة العمل المدة (ق) المحتمله المدة (ق)
(ت) (ت) (ت)
1.2 مم قطرها القرص بت -0.15 1.9 – 2.1 250 1:1 10-300 -0.15 180 44 (أ)
20 ميكرومتر قطرها القرص بت -0.25 1.2 - 1.4 4000 1:3 100 -0.25 180 2-6 (أ)
2-7 (ب)
10 ميكرومتر قطرها الأقراص PT -0.25 1.1 4000 1:3 100 -0.25 180 2-2 (ب)

الجدول 1 معلمات محسنة لخشونة من مختلف الأقطاب الكهربائية الهندسة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ال [إلكتروميكميك] [رووينينغ] من [ثين-فيلم] [مكربولكت] و [ميكروبولكتّر] يمكن مع [إكستإكستيون-رلّينغ] ينبض. هذا النهج البسيط لا يتطلب العديد من العناصر الرئيسية لأقطاب رقيقة الفيلم غير مدمرة. وعلى عكس الرقائق، قد يؤدي الخشونة في الأفلام المعدنية الرقيقة إلى تدمير العينة إذا لم يتم اختيار المعلمات بشكل صحيح. المعلمات الحرجة لإجراء الخشونة هي سعة النبض، والمدة والتردد. بالإضافة إلى ذلك، ضمان نظافة القطب الكهربائي ونقاء حمض البيركلورقبل للإجراء أمر بالغ الأهمية لمنع تلف القطب الكهربائي. وجود المواد العضوية أو الملوثة من عملية التصنيع الدقيق يمكن أن تسهم في تدمير القطب الكهربائي عن طريق التآكل أو التلويث. لذلك، فمن المهم أن الأوزون نظيفة والمذيبات نقع الجهاز، فضلا عن إعداد الكهروكيميائي سطح القطب قبل أن يبدأ الخشونة.

الخشونة الكهروكيميائية مدفوعة بسلسلة من نبضات الأكسدة /الخفض التي تؤدي إلى نمو أكسيد المتكررة والانحلال. في حالة الأنيون الممتز ضعيف (مثل HClO4),ويرافق هذه العملية من قبل البلورات PT إعادة ترسب. ولكن، في حالة الأنيون الامتزاز بقوة (مثل H2SO4)،وهذه العملية النتائج في تشكيل ميكروكراك بسبب التفضيلية بين الحبوب حزب الحل6. وجود كلوريد يمكن أن يسبب أيضا تدمير القطب الكهربائي خلال عملية الخشونة. ولهذا السبب، من الأهمية بمكان أيضاً استخدام حمض البيركلور عالي النقاء، وهو قطب مرجعي خالٍ من الكلوريد (أو عديم التسرب) والقضاء على أي مصادر محتملة أخرى لتلوث الكلوريد.

إذا كنت تستخدم المعاوقة لتقدير المساحة السطحية للميكروالقطب (الخطوة 2.1.4)، ضع هذه الأشياء في الاعتبار. يجب أن الطيف مقاومة من القطب PT نظيفة في PBS تحت ظروف الدائرة المفتوحة يؤدي إلى مؤامرة خطية نيكويست. هذا الخطية تشير إلى استجابة بالسعة بحتة. إن الانحناء أو الانحرافات الهامة عن الخطية تشير إلى نقل المعدات بسبب بطء حركية خفض الأكسجين المذاب6. في برنامج تحليل المقاومة، يتم استخدام نموذج دائرة مكافئ ة ليتناسب مع منحنيات هذه المؤامرة في نيكويست. يتكون هذا النموذج الدائرة المكافئة من المقاومة أوسميك (R) في سلسلة مع عنصر المرحلة الثابتة (CPE)، حيث يتكون R من الجهاز تتبع المقاومة الكهربائية والمقاومة الأيونية للحل وCPE يمثل السعة طبقة مزدوجة في القطب-- حل واجهة. يتم استخراج معلمات CPE من السعة طبقة مزدوجة (Q) والأس (α) من تركيب أطياف المعاوقة. عادة ما لوحظت قيم س نظيفة، PT تلعثم في PBS هي قريبة من 50 μF / قα1 سم2 (في اتفاق جيد مع مجموعة 10-60 μF / سم2 لوحظ على أقطاب معدنية على نحو سلس في اختبارات مماثلة6،12).

وكانت جميع الأقطاب الكهربائية هنا من 250 nm سميكة PT، مُفبركة تدفق مع مادة مرنة polyimide أن يعزل مجموعة6،13،14. وسوف تكون المعلمات الخشونة مختلفة لهندسة الأقطاب الكهربائية المختلفة داخل المقاييس الأقطاب الكهربائية وmicroelectrode (كما هو موضح في الجدول1)وسوف تحتاج إلى التحسين لهندسة القطب الكهربائي الجديد. في حين لم يتم التحقيق هنا، قد يكون هناك أيضا اختلافات في المعلمات اللازمة لتخوة الأقطاب الكهربائية من نفس الهندسة على أساس طوبوغرافيا (على سبيل المثال، كيف راحة في الركيزة العازلة يجلس القطب الكهربائي أو إذا تم إنشاء القطب من خلال التبخر بدلا من تلعثم). قد تعتمد المعلمات الخشونة الأمثل على تقنيات تصنيع الأفلام الرقيقة المستخدمة لإنشاء الجهاز لأن الطريقة التي يتم بها إنشاء فيلم قد تؤثر على حجم الحبوب والتوجه التفضيلي للمجالات البلورية PT في Pt والتي قد تغير المعدن التفاعل.

مع هذا النهج الخشن، يمكن للأقطاب الكهربائية أكبر تحمل أكبر Vماكس. هذا السعة نبض أكبر تمكن 10X زيادة أكبر في عامل خشونة من الأقطاب الكهربائية الكلية مقارنة مع microelectrodes. وهذا يحد من إمكانية تطبيق تقنية خشونة الميكروكتليكات إذا كانت هناك حاجة إلى أكثر من 10X زيادة الخشونة. وأظهرت الأقطاب الكهربائية الكلية الخشنة 1.2 مم مع زيادة 44x في مساحة السطح حدود حقن تهمة 0.5 - 1.39 مامكعب / سم2، والتي هي مماثلة لنيتريد التيتانيوم والمواد الكربونية النانوية و 2 - 4 مرات أكبر من البلاتين غير المعالجة 6.

بالإضافة إلى المؤامرات نيكويست هو مبين في الشكل 5A لوصف تأثير الخشونة على microelectrodes، وتظهر المؤامرات بود لمعاوقة الأقطاب الكهربائية وmicroelectrodes في Ivanovskaya، وآخرون6. من هذه المؤامرات بودي، ومقاومة في 1 كيلو هرتز لmacroelectrode خشونة الأمثل هو 2.5x أقل من القطب قبل الخشونة (208.7 kΩ لمعالجة إلى 83.7 كيلو أوم للقطب الخشن). وبالنسبة للإلكترودات الدقيقة، تم خفض المعاوقة عند 1 كيلو هرتز ~ 2x (من 672 كيلو أوم دون علاج إلى 336 كيلو أوم للقطب الخشن).

معلمات البروتوكول الحرجة هي سعة النبض، والمدة والتردد، وأنها تحتاج إلى تعديل اعتمادا على حجم القطب الكهربائي والمورفولوجيا. عند تحسين معلمات الخشونة لنوع جديد من الأقطاب الكهربائية، ابدأ بالمعلمات في الجدول1 وابدأ بأقصىحدممكن من V. ويمكن بعد ذلك ضبط دقيق لعامل خشونة (أو مساحة المساحة المطلوبة) بعد ذلك بمدة نبض مختلفة. في حين أن المعلمات النابض محددة قد تحتاج إلى تعديل طفيف اعتمادا على الهندسة الكهربائي، طبولوجيا وتكوين Pt، ويمكن استخدام هذه التقنية الخشونة لتحسين التصاق الأفلام electrodeposited وتحسين خصائص القطب مثل كما المقاومة، وحدود حقن تهمة والقدرة على تخزين تهمة كما هو مبين في Ivanovskaya، وآخرون6.

وقد وجدت وصفات لخشونة الكهروكيميائية من رقائق معدنية لما يقرب من خمسة عقود1 والخشونة الكهروكيميائية من المعدن لا تزال جذابة بسبب بساطة النهج والمنفعة. ولكن استخدام هذا النهج البسيط لخشونة أقطاب رقيقة الفيلم لم يكن على التوالي إلى الأمام، وكان هناك القليل من المعلومات المتاحة على الإجراء لخشونة بنجاح الأفلام المعدنية رقيقة. مع النهج الموصوف هنا، يمكن الآن أقطاب رقيقة الفيلم أن تكون بسهولة الكهربا كيميائيا. يمكن استخدام هذه الأقطاب الخشنة لتحسين تسجيل والتحفيز الأقطاب الكهربائية في التحقيقات العصبية، وتحسين التصاق الأفلام المودعة كيميائيا إلى ركائز، وتحسين حساسية أجهزة الاستشعار الحيوية، وتحسين رقيقة الفيلم القائم على حساسية أبتاسنس، أو لتنظيف صفائف الأقطاب الكهربائية بعد التصنيع.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

ولا يعلن أصحاب البلاغ عن وجود مصالح مالية متنافسة.

Acknowledgments

يود المؤلفون أن يشكروا مركز الهندسة الحيوية في مختبر لورانس ليفرمور الوطني على الدعم الذي يقدمه أثناء إعداد هذه المخطوطة. البروفيسور لورين فرانك هو التكرم لتعاونه مع المجموعة التي مكنت تلفيق وتصميم رقيقة فيلم PT microarrays التي نوقشت في العمل المذكور أعلاه. وقد تم تنفيذ هذا العمل تحت رعاية وزارة الطاقة الأميركية من قبل مختبر لورانس ليفرمور الوطني بموجب العقد DE-AC52-07NA27344 وتم تمويله من قبل مختبر توجيه جائزة البحث والتطوير 16-ERD-035. LLNL IM الافراج عن LLNL-JRNL-762701.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Chung, T., et al. Electrode modifications to lower electrode impedance and improve neural signal recording sensitivity. Journal of Neural Engineering. 12 (5), 056018 (2015).
  3. Green, R. A., et al. Laser patterning of platinum electrodes for safe neurostimulation. Journal of Neural Engineering. 11 (5), 056017 (2014).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Lvovich, V. F. Impedance Spectroscopy: Applications to Electrochemical and Dielectric Phenomena. , Wiley. (2012).
  13. 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).
  14. 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).

Tags

كيمياء العدد 148 التخشين الكهروكيميائي قطب منطقة سطح عالي تشكيل عصبي تحفيز عصبي ميكروإلكتركت بلاتين تحفيز كهربائي الفيزيولوجيا الكهربائية جهاز استشعار حيوي
التخوى الكهروكيميائي من رقيقة فيلم البلاتين ماكرو وmicroelectrodes
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ivanovskaya, A. N., Belle, A. M.,… More

Ivanovskaya, A. N., Belle, A. M., Yorita, A., Qian, F., Chen, S., Tooker, A., Lozada, R. G., Dahlquist, D., Tolosa, V. Electrochemical Roughening of Thin-Film Platinum Macro and Microelectrodes. J. Vis. Exp. (148), e59553, doi:10.3791/59553 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video
Waiting X
Simple Hit Counter