Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Elektrochemiczne chropowatość makro i mikroelektrod cienkowarstwowych platynowych

7.7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/59553

⸱

30 czerwca 2019

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Engineering Directorate, Lawrence Livermore National Laboratory, 2Physical and Life Science Directorate, Lawrence Livermore National Laboratory

* These authors contributed equally

W tym artykule

Podsumowanie

Ten protokół demonstruje metodę elektrochemicznego chropowatości cienkowarstwowych elektrod platynowych bez preferencyjnego rozpuszczania na granicy ziaren. Zademonstrowano techniki elektrochemiczne woltamperometrii cyklicznej i spektroskopii impedancyjnej w celu scharakteryzowania tych powierzchni elektrod.

Streszczenie

Ten protokół demonstruje metodę elektrochemicznego chropowatości cienkowarstwowych elektrod platynowych bez preferencyjnego rozpuszczania na granicy ziaren metalu. Za pomocą tej metody uzyskano pozbawioną pęknięć, cienkowarstwową powierzchnię makroelektrody o nawet 40-krotnym wzroście powierzchni czynnej. Chropowatość jest łatwa do wykonania w standardowym laboratorium charakterystyki elektrochemicznej i obejmuje zastosowanie impulsów napięciowych, a następnie rozszerzone zastosowanie napięcia redukcyjnego w roztworze kwasu nadchlorowego. Protokół obejmuje chemiczne i elektrochemiczne przygotowanie zarówno w skali makro (średnica 1,2 mm), jak i w mikroskali (średnica 20 μm) powierzchni platynowej elektrody krążkowej, chropowatość powierzchni elektrody i scharakteryzowanie wpływu chropowatości powierzchni na powierzchnię czynną elektrody. Ta charakterystyka elektrochemiczna obejmuje woltamperometrię cykliczną i spektroskopię impedancji i jest demonstrowana zarówno dla makroelektrod, jak i mikroelektrod. Chropowatość zwiększa powierzchnię czynną elektrody, zmniejsza impedancję elektrody, zwiększa limity wtrysku ładunku platyny do wartości elektrod z azotku tytanu o tej samej geometrii i poprawia podłoża do przyczepności elektrochemicznie osadzonych folii.

Wprowadzenie

Prawie pięć dekad temu, pierwsza obserwacja powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii Ramana (SERS) miała miejsce na elektrochemicznie chropowatym srebrze1. Elektrochemiczne chropowatość folii metalowych jest nadal atrakcyjna ze względu na swoją prostotę w porównaniu z innymi metodami chropowatości2,3 i jego przydatność w wielu zastosowaniach, takich jak ulepszanie czujników aptamerowych4, ulepszanie sond neuronowych5, oraz poprawa przyczepności do podłoży metalowych6. Metody chropowatości elektrochemicznej istnieją dla wielu metali masowych1,5,7,8,9,10. Do niedawna nie było jednak doniesień na temat zastosowania elektrochemicznego chropowatości do cienkich (o grubości setek nanometrów) warstw metalowych6, pomimo rozpowszechnienia mikrofabrykowanych cienkowarstwowych elektrod metalowych w wielu dziedzinach.

Sprawdzone metody szorstkowania grubych elektrod platynowych (Pt)5,8 cienkich elektrod Pt do delaminatacji6. Modulując częstotliwość procedury szorstkowania i elektrolitu używanego do szorstkowania, Ivanovskaya i in. wykazali szorstkowanie cienkowarstwowe Pt bez rozwarstwiania. Publikacja ta koncentrowała się na wykorzystaniu tego nowego podejścia do zwiększenia powierzchni platynowych elektrod rejestrujących i stymulujących w mikrofabrykowanych sondach neuronowych. Wykazano, że chropowate elektrody poprawiają wydajność rejestracji i stymulacji oraz poprawiają przyczepność elektrochemicznie osadzonych folii i poprawiają czułość biosensora6. Jednak takie podejście prawdopodobnie usprawnia również czyszczenie powierzchni mikrofabrykowanych matryc elektrod i zwiększa możliwości elektrod cienkowarstwowych również w innych zastosowaniach czujników (np. aptasensors).

Podejście do szorstkowania makroelektrod cienkowarstwowych (średnica 1,2 mm) i mikroelektrod (średnica 20 μm) jest opisane w następującym protokole. Obejmuje to przygotowanie powierzchni elektrody do chropowatości oraz sposób scharakteryzowania chropowatości elektrody. Kroki te przedstawiono wraz ze wskazówkami, jak zoptymalizować procedurę chropowatości dla innych geometrii elektrod oraz najważniejszymi czynnikami zapewniającymi nieniszczące chropowatość elektrody.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

​UWAGA: Przed użyciem należy zapoznać się ze wszystkimi odpowiednimi kartami charakterystyki (SDS). Kilka z odczynników użytych w tym protokole jest silnie toksycznych, rakotwórczych, utleniających i wybuchowych przy zastosowaniu w wysokich stężeniach. Nanomateriały mogą stwarzać dodatkowe zagrożenia w porównaniu do ich odpowiedników w postaci masowej. Podczas realizacji tego protokołu należy stosować wszelkie odpowiednie zasady bezpieczeństwa, w tym środki kontroli technicznej (dygestorium) oraz środki ochrony indywidualnej (okulary ochronne, rękawiczki, fartuch laboratoryjny, długie spodnie, obuwie z zamkniętymi palcami).

1. Czyszczenie elektrody (elektrod) Pt przed wstępną charakterystyką i chropowaceniem powierzchni

  1. Oczyścić elektrody chemicznie w atmosferze ozonu, używając laboratoryjnego oczyszczacza UV-ozonowego przy 80 °C przez 10 min.
  2. Zanurz część sondy zawierającą elektrody w rozpuszczalniku (np. w przypadku mikroelektrod przedstawionych w niniejszym protokole należy zastosować 30-minutowe moczenie w acetonie).
    UWAGA: W zależności od obudowy i geometrii elektrod inne metody usuwania substancji organicznych z elektrod mogą okazać się bardziej skuteczne, jednak opisane w protokole moczenie w rozpuszczalniku sprawdza się w przypadku tych elektrod.
  3. Oczyszczają elektrochemicznie powierzchnię wszystkich elektrod poprzez powtarzalne cykle potencjału w kwaśnym roztworze kwasu nadchlorowego. Roztwór kwasu nadchlorowego nie wymaga odpowietrzania w celu zmiany stężenia obecnych gazów.
    1. Wprowadź ustawienia do potencjostatu, aby przeprowadzić woltametrię cykliczną (CV) na elektrodach. Wykonaj skanowanie w zakresie od 0,2 V do 1,24 V względem Ag|AgCl (lub od -0,65 V do 0,80 V względem wysyconej elektrody siarczanu rtęci (MSE), która była używana do chropowacenia) przy szybkości przesiewania 200 mV/s.
      UWAGA: Niezależnie od stosowanych materiałów referencyjnych, wszystkie potencjały w niniejszej pracy podano względem elektrody odniesienia Ag|AgCl (nasyconej KCl). Przesunięcie potencjału między MSE (zawierającą 1,0 M H2SO4) użytych w niniejszym badaniu oraz Ag|AgCl (nasyconego KCl)wynosi 0.4 V11.
      1. W oprogramowaniu EC-Lab, w sekcji Eksperyment naciśnij klawisz tabulatora + znak dodawania techniki elektrochemicznej. W oknie wyskakującym Techniki insercji pojawi się.
      2. Kliknij w Techniki elektrochemicznePo rozwinięciu kliknij w Techniki woltamperometrycznePo rozwinięciu tej sekcji kliknij dwukrotnie w Woltametria cykliczna – CV. 1-CV linia pojawi się w Eksperyment okno
      3. W wewnątrz Eksperyment okno, wprowadź następujące parametry:
        Ei = 0 V względem Eoc
        dE/dt = 200 mV/s
        E1 = -0,65 V względem elektrody odniesienia
        E2 = 0,8 V względem elektrody odniesienia
        n = 20
        Pomiar przez ostatnie 50% czasu trwania etapu
        Nagranie uśrednione dla N = 10 skoków napięcia
        Zakres E = -2,5; 2,5 V
        ZakresI = Auto
        Szerokość pasma = 7
        Koniec skanowania Ef = 0 V względem Eoc
    2. Zanurz końcówkę elektrody urządzenia w 50 mM kwasie nadchlorowym (HClO4)4roztwór zawierający również platynowy drut jako elektrodę pomocniczą oraz elektrodę odniesienia MSE.
      UWAGA: Aby uniknąć zmian w procesach elektrochemicznych spowodowanych zanieczyszczeniem jonami chlorkowymi, należy zastosować elektrodę odniesienia wolną od chlorków (np. bezwyciekową elektrodę Ag|AgCl, elektrodę MSE itp.)..) należy stosować we wszystkich testach przeprowadzanych w elektrolitach kwasowych zgodnie z niniejszym protokołem.
    3. Połącz jedną elektrodę lub zwarcie kilku elektrod urządzenia wieloelektrodowego, aby utworzyć elektrodę roboczą.
    4. Podłącz elektrodę roboczą, pomocniczą i odniesienia do potencjostatu.
    5. W oprogramowaniu EC-Lab, w ramach Eksperyment okno, prasa Ustawienia zaawansowane po lewej stronie.
    6. Pod Ustawienia zaawansowanewybierz Konfiguracja elektrod = CE do masyPodłącz elektrodę roboczą, przeciw sweaty i odniesienia do przewodów urządzenia zgodnie ze schematem podłączenia elektrod.
    7. Naciśnij Uruchom przycisk (zielony trójkąt pod Eksperyment okno), aby rozpocząć eksperyment.
    8. Wykonuj powtarzalne cykle potencjalne do momentu, aż woltamperogramy będą wizualnie nakładać się na siebie z cyklu na cykl. Zazwyczaj dzieje się to po 50–20 cyklach CV.

2. Charakterystyka elektrochemiczna powierzchni elektrody przed wyszorowaniem

  1. Wszystkie charakterystyki elektrochemiczne należy przeprowadzić w konfiguracji trójelektrodowej opisanej powyżej w krokach 1.3.2–1.3.4. Wszystkie potencjały w poniższych krokach podano względem elektrody odniesienia Ag|AgCl. Jako elektrodę pomocniczą należy zastosować drucik platynowy (Pt). Do charakterystyki przeprowadzanej w soli fizjologicznej buforowanej fosforanami (PBS) należy użyć konwencjonalnej elektrody Ag|AgCl, natomiast w przypadku wszystkich testów przeprowadzanych w roztworach kwasowych należy zastosować beztstykową elektrodę Ag|AgCl lub MSE jako elektrodę odniesienia.
    1. Ustaw parametry potencjostatu w celu przeprowadzenia woltamperometrii cyklicznej (CV) w zakresie od -0,2 do 1,24 V względem Ag|AgCl (lub od -0,65 V do 0,80 V względem MSE) przy szybkości przesunięcia potencjału 50 mV/s. Zanurz końcówkę elektrody urządzenia w zlewce z oddeksygenowanym 50 mM HClO4 (odgazowano azotem N2)2 gaz przez ≥10 min), w którym znajduje się również platynowy drut jako elektroda pomocnicza oraz elektroda odniesienia MSE.
      1. W oprogramowaniu EC-Lab, w sekcji Eksperyment naciśnij klawisz Tab + znak dodawania techniki elektrochemicznej. W oknie wyskakującym, Techniki wprowadzania pojawi się.
      2. Kliknij Techniki elektrochemiczne. Po rozwinięciu listy kliknij Techniki woltamperometrycznePo rozwinięciu tej opcji, dwukrotnie kliknij w Woltametria cykliczna - CV. 1-CV linia pojawi się w Eksperyment okno
      3. W Eksperyment okno, wprowadź następujące parametry:
        Ei = 0 V względem Eoc
        dE/dt = 50 mV/s
        E1 = -0,65 V względem elektrody odniesienia
        E2 = 0,8 V względem elektrody odniesienia
        n = 10
        Pomiar podczas ostatnich 50% czasu trwania kroku
        Rejestracja uśrednione dla N = 10 skoków napięcia
        Zakres E = -2,5; 2,5 V
        Zakres I = Automatyczny
        Szerokość pasma = 7
        Koniec skanowania Ef = 0 V względem Eoc
        UWAGA: Jedynymi różnicami między tą konfiguracją a konfiguracją opisaną wcześniej w kroku 1.3 są zastosowanie odtlenionego 50 mM HClO4 oraz upewniając się, że tylko jedna elektroda jest używana jako elektroda robocza. W oprogramowaniu EC-Lab, w Eksperyment okno, prasa Ustawienia zaawansowane po lewej stronie.
      4. Pod Ustawienia zaawansowanewybierz Konfiguracja elektrod = CE do masyPodłącz elektrodę roboczą, przeciwelektrodę i elektrodę odniesienia do przewodów urządzenia zgodnie ze schematem podłączenia elektrod.
      5. Naciśnij Uruchom przycisk (zielony trójkąt pod Doświadczenie okno), aby rozpocząć eksperyment.
      6. Wykonuj powtarzalne cykle potencjału do momentu, aż woltamperogramy będą wizualnie nakładać się na siebie z cyklu na cykl.
    2. Oblicz powierzchnię elektrody na podstawie pików adsorpcji wodoru z wysoko powtarzalnych (nakładających się) krzywych CV, stosując metodę J. Rodrígueza i współpracowników.11.
      1. Wyznacz ładunek związany z adsorpcją monowarstwy wodoru (Q) na powierzchni elektrody poprzez całkowanie dwóch pików katodowych w CV pomiędzy potencjałami, przy których prąd katodowy odchyla się od prądu warstwy podwójnej (Vi z indeksem i, prędkość płynu, reprezentuje prędkość początkową w równaniach ruchu.) i rozpoczyna się wydzielanie wodoru (Symbol prędkości końcowej „Vf” w równaniach kinematyki, związany z analizą ruchu.) po odjęciu ładunku związanego z ładowaniem monowarstwy (Symbol Qdl dla ładunku podwójnej warstwy elektrochemicznej, istotny w badaniach nad magazynowaniem energii w superkondensatorach.). Szybkość skanowania (ν) również wpływa na tę adsorpcję. Należy użyć poniższego równania, aby wyznaczyć Q.
         Równanie termodynamiczne, całka z IdV, proces pracy objętościowej, schemat wzoru, obliczenia badawcze. 
        Graficzną reprezentację zintegrowanej powierzchni można znaleźć w pracy J. Rodríguez i wsp.11.
      2. Oblicz powierzchnię efektywną (A) elektrody, dzieląc Q przez gęstość ładunku tworzenia monowarstwy wodoru (k). Dla atomowo gładkiej polikrystalicznej powierzchni Pt, k = 208 µC/cm2.
        A = Q / k
    3. Jeśli dwa katodowe piki woltamperogramu cyklicznego (CV) dla Pt są słabo rozdzielone, należy oszacować powierzchnięy elektrody na podstawie pojemności warstwy podwójnej na styku elektroda-roztwór. Zastosowanie podejścia opisanego w kroku 2.1.1 w przypadku słabo rozdzielonych pików wodoru doprowadzi do uzyskania nieprawidłowych wyników.
      1. Zmierz widma impedancji pojedynczej elektrody w warunkach obwodu otwartego w PBS (pH 7,0, przewodność 30 mS/cm). Zanurz końcówkę elektrody urządzenia w PBS, w którym znajduje się również platynowy drut jako elektroda pomocnicza oraz elektroda odniesienia MSE. Podłączaj kolejno każdą z elektrod jako elektrodę roboczą. Następnie, za pomocą potencjostatu, przyłóż sinusoidę impedancyjną o amplitudzie 10 mV w zakresie częstotliwości od 1 Hz do 10 kHz.
        1. W oprogramowaniu EC-Lab, w sekcji Eksperyment naciśnij klawisz tabulacji + symbol umożliwiający dodanie techniki elektrochemicznej. W oknie wyskakującym Techniki insercji pojawi się.
        2. Kliknij w Techniki elektrochemicznePo rozwinięciu kliknij w Spektroskopia impedancyjnaPo rozwinięciu tej sekcji kliknij dwukrotnie w Potencjostatyczna spektroskopia impedancyjna. 1-PEIS linia pojawi się w Eksperyment okno
      2. W Eksperyment okno, wprowadź następujące parametry:
        Ei = 0 V względem Eoc
        fi = 1 Hz
        ff = 10 kHz
        Nd = 6 punktów na dekadę
        W odstępach logarytmicznych
        Va = 10 mV
        Pw = 0,1
        Na = 3
        nc = 0
        Zakres E = -2,5; 2,5 V
        Zakres wejściowy = Auto
        Szerokość pasma = 7
      3. W oprogramowaniu EC-Lab, w Eksperyment okno, prasa Ustawienia zaawansowane po lewej stronie.
      4. Pod Ustawienia zaawansowanewybierz Konfiguracja elektrod = CE do masyPodłącz elektrodę roboczą, przeciw电rodę i elektrodę odniesienia do przewodów urządzenia, zgodnie ze schematem podłączenia elektrod.
      5. Naciśnij Uruchom przycisk (zielony trójkąt pod Eksperyment okno), aby rozpocząć eksperyment.
    4. Wyznacz pojemność warstwy podwójnej z widm impedancji elektrody (zebranych w kroku 2.1.4.1) poprzez dopasowanie widm do modelu obwodu zastępczego przy użyciu oprogramowania do analizy impedancyjnej.
      UWAGA: Analiza w wynikach reprezentatywnych oraz w pracy Ivanovskaya i wsp..6 przeprowadzono z wykorzystaniem narzędzia do dopasowywania analizy impedancji Z Fit.
      1. W oprogramowaniu EC-Lab kliknij Wczytaj plik danych pod Lista eksperymentów menu
      2. Wybierz Impedancja Nyquista typ wykresu na górnym pasku menu.
      3. Kliknij Analiza, a następnie wybierz Spektroskopia impedancji elektrochemiczneji kliknij Z Fit.
      4. Wówczas Z-Fit Bio-Logics pojawia się okno wyskakujące, kliknij Edytuj przycisk
      5. Wybierz Schemat obwodu z 2 elementami i wybierz R1 + Q1 z listy równoważnych modeli obwodów. Kliknij Proszę podać tekst źródłowy do tłumaczenia..
      6. Rozszerz Dopasowanie sekcja okna wyskakującego; należy upewnić się, że ustawienia są Randomizacja + Simplexzatrzymaj randomizację przy 5 0 iteracjach oraz zatrzymaj dopasowanie przy 5 0 iteracjach.
      7. Naciśnij Oblicz przycisk i zaobserwuj dodane do wykresu widma dopasowania wstępnego. Naciśnij Zminimalizować i obserwuj końcowe dopasowanie.
      8. Dostosuj granice dopasowania (zielone okręgi), aby wykluczyć z dopasowania dane zaszumione lub zniekształcone. Szacowane parametry dopasowania pojawią się poniżej Wyniki sekcja
    5. Należy upewnić się, że obliczony model obwodu zastępczego odpowiada wykresowi Nyquista dla danych, który obejmuje oporność omową (R) połączoną szeregowo z elementem o stałym kącie fazy (CPE).
      1. Należy odnotować wartość pojemności warstwy podwójnej (Q), która jest częścią elementu CPE w modelu obwodu zastępczego.
      2. Oszacuj zmianę powierzchni właściwej jako stosunek wartości Q zmierzonych przed i po chropowaceniu, ponieważ pojemność warstwy podwójnej (Q) wzrasta liniowo wraz z aktywną powierzchnią właściwą.12.

3. Elektrochemiczne chropowacenie makroelektrody

UWAGA: Elektrochemiczne chropowacenie jest napędzane serią impulsów utleniania/redukcji, które prowadzą do wzrostu i rozpuszczania tlenków. W przypadku anionu słabo adsorbującego (takiego jak HClO4), rozpuszczaniu temu towarzyszy redepozycja krystalitów Pt, natomiast w przypadku anionów silnie adsorbujących (takich jak H2SO4) proces ten prowadzi do preferencyjnego rozpuszczania Pt w granicach ziaren, co powoduje powstawanie mikropęknięć na powierzchni elektrody6. Dlatego też stosowanie elektrolitu HClO4 o wysokiej czystości jest niezbędne, aby zapobiec powstawaniu mikropęknięć na powierzchni elektrody.

  1. Do chropowacenia makroelektrod należy użyć potencjostatu zdolnego do aplikowania impulsów napięcia o szerokości 2 ms. Procedurę tę można przeprowadzić przy użyciu dowolnego potencjostatu wymienionego na załączonej liście materiałów.
  2. W potencjostacie zaprogramuj następujące parametry w celu chropowacenia makroelektrody z dysku platynowego (Pt) o średnicy 1,2 mm.
    1. Rozpocznij protokół chropowacenia od serii impulsów utleniania/redukcji pomiędzy -0,15 V (Vmin) a 1,9 - 2,1 V (Vmax) z częstotliwością 250 Hz i cyklem pracy 1:1 przez 10 - 30 s. Czas trwania aplikowania impulsów określa stopień chropowacenia – im dłuższe impulsowanie, tym większa chropowatość powierzchni. Skorzystaj z Rysunku 1A oraz dyskusji jako wskazówki przy określaniu konkretnych parametrów wymaganych do uzyskania określonej chropowatości powierzchni.
      1. Otwórz program VersaStudio.
      2. Rozwiń menu Experiment i wybierz New.
      3. W wyświetlonym oknie wyskakującym Select Action wybierz Fast potential pulses i po wyświetleniu prośby wprowadź żądaną nazwę pliku. Wtedy pod zakładką Actions to be performed pojawi się wpis Fast potential pulses.
      4. Wypełnij następujące pola w sekcji Properties of Fast Potential Pulses/Pulse properties. Wprowadź Number of pulses = 2, Potential (V) 1 = -0,39 względem elektrody odniesienia przez 0,02 s oraz Potential (V) 2 = 1,56 względem elektrody odniesienia przez 0,02 s.
      5. W sekcji Scan properties wypełnij: Time per point = 1 s, number of cycles: 50 0 (dla czasu trwania 20 s).
      6. W sekcji Instrument properties ustaw Current range = Auto.
    2. Zaprogramuj potencjostat tak, aby bezpośrednio po serii impulsów nastąpiła przedłużona aplikacja stałego potencjału redukcyjnego (-0,15 V (lub -0,59 V względem MSE) przez 180 s), aby w pełni zredukować wytworzone tlenki i ustabilizować powierzchnię elektrody.
      1. W oprogramowaniu VersaStudio naciśnij przycisk +, aby wstawić nowy krok.
      2. Kliknij dwukrotnie Chronoamperometry.
      3. Wprowadź Potential (V) = -0,59, Time per point (s) = 1 oraz Duration (s) = 180.
    3. W celu ułatwienia programowania potencjostatu posłuż się reprezentacją wizualną schematu opisanego w krokach 3.2.1. i 3.2.2 (Rysunek 2).
      UWAGA: Konkretne parametry będą się różnić w zależności od geometrii elektrody, jednak zastosowanie powyższych parametrów jako punktu wyjścia, a następnie zmienianie Vmax i czasu trwania impulsu jest zalecaną metodą optymalizacji parametrów chropowacenia dla innych geometrii. Do tego kroku niezbędne jest użycie roztworu HClO4 o wysokiej czystości.
  3. Zanurz elektrodę z końcówką urządzenia w 500 mM HClO4, w którym znajduje się również platynowy drut jako elektroda pomocnicza oraz elektroda odniesienia MSE. Następnie podłącz poszczególną elektrodę jako elektrodę roboczą i zastosuj schemat impulsowania, aby zachropowacić elektrodę.
  4. W programie VersaStudio naciśnij przycisk Run w menu, aby rozpocząć proces chropowacenia.

4. Elektrochemiczne chropowacenie mikroelektrody

  1. Należy użyć potencjostatu, który umożliwia przyłożenie impulsów napięcia z 62.5 µs szerokość impulsu w celu zmatowienia mikroelektrod. Potencjostat VMP-30 wymieniony na liście materiałów nie jest w stanie generować tak krótkich impulsów, natomiast potencjostat VersaSTAT 4 pozwala na zastosowanie szybkich impulsów niezbędnych do zmatowienia mikroelektrod cienkowarstwowych.
  2. Zaprogramuj następujące parametry w potencjostacie, aby przeprowadzić chropowacenie 20 µm mikroelektroda z dyskiem platynowym (Pt) o określonej średnicy, wykonana zlicowanie z materiałem izolacyjnym. Protokół chropowacenia można zastosować do pojedynczej elektrody lub kilku elektrod połączonych równolegle (patrz dodatkowe wyjaśnienie w kroku 4.3).
    1. Protokół chropowacenia należy rozpocząć od serii impulsów utleniania/redukcji pomiędzy -0,25 V (Vmin) oraz 1,2 – 1,4 V (Vmaksymalny) przy częstotliwości 4 0 Hz i cyklu pracy 1:3 (szerokość impulsu utleniania:redukcji) przez 10 s. W celu ustalenia konkretnych parametrów wymaganych dla innych geometrii elektrod należy posiłkować się wskazówkami zawartymi w dyskusji.
      1. Uruchom program VersaStudio.
      2. Rozszerz Eksperyment menu i wybierz Nowy.
      3. W Wybierz działanie wybrać z pojawiвшего się okna wyskakującego Szybkie impulsy potencjału a następnie wprowadź żądaną nazwę pliku po wyświetleniu odpowiedniego zapytania. Szybkie impulsy potencjału linia pojawi się następnie pod Czynności do wykonania tab.
      4. Wypełnij poniższe pola pod Właściwości szybkich impulsów potencjałowych / Właściwości impulsówwejście Liczba impulsów = 2, Potencjał (V) 1 = -0,49 w stosunku do Ref dla 0,0625 ms, a Potencjał (V) 2 = 1,06 vs Ref dla 0,1875 ms.
      5. Pod Właściwości skanowania, wypełnić: Czas na punkt = 1 s, i liczba cykli: 40 00 (przez 10 s).
      6. Pod Właściwości instrumentuwprowadź Aktualny zakres = Auto.
    2. Zaprogramuj potencjostat tak, aby bezpośrednio po serii impulsów następował przedłużony potencjał redukcji (-0,20 V przez 180 s) w celu całkowitej redukcji wszelkich powstałych tlenków i stabilizacji składu chemicznego powierzchni elektrody.
      1. W oprogramowaniu VersaStudio naciśnij przycisk + przycisk do wstawienia nowego kroku.
      2. Kliknij dwukrotnie w Chronoamperometria.
      3. Wprowadź potencjał wejściowy (V) = -0,64, czas pomiaru punktu (s) = 1 oraz czas trwania (s) = 180.
        UWAGA: Należy użyć HClO o wysokiej czystości4 roztwór jest niezbędny na tym etapie.
  3. Zanurz końcówkę urządzenia zawierającą elektrodę w 50 mM HClO.4 zawiera on również platynową elektrodę pomocniczą oraz elektrodę odniesienia MSE. Następnie należy podłączyć pojedynczą elektrodę lub kilka zmostkowanych elektrod jako elektrodę roboczą i zastosować paradygmat impulsowy. W trybie potencjostatycznym elektrody mogą być zmostkowane, jeśli oporność ścieżek wewnątrz urządzenia jest mała. W takiej sytuacji spadek napięcia omowego w urządzeniu jest pomijalny, zatem wszystkie zmostkowane elektrody będą poddane zastosowanemu potencjałowi.
  4. W programie VersaStudio naciśnij przycisk Uruchom przycisk w menu na górze ekranu, aby rozpocząć proces chropowacenia.
    UWAGA: Chropowacenie mikroelektrod może wymagać dostosowania parametrów impulsowania w zależności od geometrii elektrody, składu Pt oraz topologii (np.., głębokość otworu dla elektrody osadzonej w materiale izolacyjnym). Należy rozpocząć od parametrów wymienionych tutaj i zmodyfikować Vmaksymalny wartość niezbędna do rozpoczęcia optymalizacji parametrów chropowacenia dla różnych geometrii elektrod. Różne parametry impulsowania dla trzech różnych geometrii podsumowano w Tabela 1.

5. Charakterystyka powierzchni elektrody po chropowaceniu

  1. Określić przyrost efektywnej powierzchni makroelektrod, stosując kroki 2.1.1-2.1.5.
  2. Określić przyrost efektywnej powierzchni mikroelektrod, stosując kroki 2.1.1-2.1.5.
  3. Zaobserwować zmiany w wyglądzie elektrod po chropowaceniu w mikroskopii optycznej jako utratę metalicznego połysku (patrz Representative Results) oraz w skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM)6 jako wyraźny spadek gładkości powierzchni.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Schemat przedstawiający przyłożenie napięcia w celu chropowacenia zarówno makroelektrod, jak i mikroelektrod, znajduje się na Rysunku 2. Do wizualizacji różnic w wyglądzie schropowaconej makroelektrody (Rysunek 3) lub mikroelektrody (Rysunek 4) można wykorzystać mikroskopię optyczną. Ponadto elektrochemiczna charakterystyka powierzchni Pt za pomocą spektroskopii impedancyjnej i woltamperometrii cykli...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Elektrochemiczne chropowatość makroelektrod i mikroelektrod cienkowarstwowych jest możliwa dzięki pulsowaniu oksydacyjno-redukcyjnemu. To proste podejście wymaga kilku kluczowych elementów do nieniszczącego szorstkowania elektrod cienkowarstwowych. W przeciwieństwie do folii, szorstkość cienkich warstw metalu może prowadzić do zniszczenia próbki, jeśli parametry nie zostaną odpowiednio dobrane. Krytycznymi parametrami procedury szorstkowania są amplituda impulsu, czas trwania i częstotliwość. Ponadto zapewnienie czystośc...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów finansowych.

Podziękowania

Autorzy chcieliby podziękować Centrum Bioinżynierii Lawrence Livermore National Laboratory za wsparcie podczas przygotowywania tego manuskryptu. Profesor Loren Frank jest uprzejmie wyróżniony za współpracę z grupą, która umożliwiła wytworzenie i zaprojektowanie cienkowarstwowych mikromacierzy Pt omówionych w powyższej pracy. Prace te zostały wykonane pod auspicjami Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych przez Lawrence Livermore National Laboratory w ramach umowy DE-AC52-07NA27344 i sfinansowane przez Lab Directed Research and Development Award 16-ERD-035. Wydanie LLNL IM LLNL-JRNL-762701.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
AcetonFisher Scientific, Sigma Aldrich lub podobnynie dotyczy
Oprogramowanie EC-LabBio-Logic Science Instrumentsn/aDo kontroli urządzeń i analizy danych
Nieszczelne srebro/chlorek srebra OdniesienieeDAQ Company, AustraliaET069-1Wolne od zanieczyszczenia anionami chlorkowymi
(lub innego rodzaju elektrody bezchlorkowej, np. siarczanu rtęci elektroda)
Siarczan rtęci i Zestaw elektrod kwasowych Koslow, Scientific Testing Instruments5100Aszkło, wersja 9mm
Milipore DI waterMilliporeSigman/aCertyfikowana rezystywność 18,2 MΩ. cm (przy 25& C) 
Kwas nadchlorowy, 99,9985%Sigma Aldrich311421
Sól fizjologiczna buforowana fosforanamiTeknovaP400710mM PBS z 100mM NaCl, pH 7
lub podobny produkt z innego miejsca
Elektroda pomocnicza z drutu platynowego (7,5 cm)BASiMW-1032Elektroda
przeciwelektroniczna Pt MakroelektrodyLawrence Livermore National Laboratoryn/aElektrody tarczowe Pt o średnicy 1,2 mm i grubości 250 nm izolowane poliimidem. Więcej informacji w Odnośniku 9.
Matryce mikroelektrod PtLivermore National Laboratoryn/a20 µ Elektrody dyskowe Pt o średnicy 250 nM izolowane poliimidem. Więcej informacji w Odnośniku 9.
Kwas siarkowy, 99,999%Sigma Aldrich339741wysoka czystość
UV i Suchy środek do usuwania ozonuSamcoUV-1do czyszczenia elektrod
VersaSTAT 4 PotencjostatAMETEK, Inc.n/aDobra rozdzielczość czasowa do testów pulsacyjnych
VersaStudio SoftwareAMETEK, Inc.n/aDo sterowania przyrządem
VMP-200 Potencjostat Instrumenty biologicznen/dNiska rozdzielczość prądu  opcja jest preferowana w przypadku pomiarów za pomocą mikroelektrod
klasy laboratoryjnej o wysokiej czystości Lawrence

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Elektrody platynoweelektrody cienkowarstwowewoltametria cyklicznaspektroskopia impedancyjnaroztwór kwasu nadchlorowegopowierzchnia elektrodymakro- i mikroelektrodyobsługa potencjostatuaplikacja impulsu napięcia
Elektrochemiczne chropowatość makro i mikroelektrod cienkowarstwowych platynowych
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.