Summary
Questo protocollo dimostra un metodo per la sgrossatura elettrochimica degli elettrodi platino a film sottile senza dissoluzione preferenziale ai confini del grano. Le tecniche elettrochimiche della voltammemetria ciclica e della spettroscopia impenitente sono dimostrate caratterizzare queste superfici di elettrodi.
Abstract
Questo protocollo dimostra un metodo per la sgrossatura elettrochimica degli elettrodi platino a film sottile senza dissoluzione preferenziale ai confini del grano del metallo. Utilizzando questo metodo, è stata ottenuta una superficie macroelettroda senza crepa e a film sottile con un aumento fino a 40 volte superiore nella superficie attiva. La sgrossatura è facile da fare in un laboratorio di caratterizzazione elettrochimica standard e prevede l'applicazione di impulsi di tensione seguiti dall'applicazione estesa di una tensione riduttiva in una soluzione di acido perclorrico. Il protocollo comprende la preparazione chimica ed elettrochimica sia di una macroscala (di1,2 mm di diametro) che di una superficie dell'elettrodo del disco platino in microscala (diametro pari a 20 m), sgrossando la superficie dell'elettrodo e caratterizzando gli effetti della sgrossatura della superficie superficie attiva dell'elettrodo. Questa caratterizzazione elettrochimica include la voltammemetria ciclica e la spettroscopia impedibile ed è dimostrata sia per i macroelettrodi che per i microelettrodi. La sgrossatura aumenta la superficie attiva degli elettrodi, diminuisce l'impedimento degli elettrodi, aumenta i limiti di iniezione di carica di platino a quelli degli elettrodi di nitradio di titanio della stessa geometria e migliora i substrati per l'adesione di pellicole depositate elettrochimicamente .
Introduction
Quasi 5 decenni fa, la prima osservazione della spettroscopia Raman migliorata della superficie (SERS) si è verificata sull'argento elettrochimicamente grezzo1. La sgrossatura elettrochimica dei fogli metallici è ancora oggi attraente per la sua semplicità rispetto ad altri metodi di sgrossatura2,3 e la sua utilità in molte applicazioni come il miglioramento dei sensori aptamer4,il miglioramento neurale sonde5, e migliorare l'adesione ai substrati metallici6. Esistono metodi elettrochimici di sgrossatura per molti metalli sfusi1,5,7,8,9,10. Fino a poco tempo fa, tuttavia, non esisteva alcun rapporto sull'applicazione della sgrossatura elettrochimica a pellicole metalliche sottili (spesse centinaia di nanometri)6, nonostante la prevalenza di elettrodi metallici a film sottile microfabbricati in un certo numero di campi.
Metodi stabiliti per sgrossare gli elettrodi di platino (Pt)5,8 delaminano gli elettrodi Pt a film sottile6. Modulando la frequenza della procedura di sgrossatura e dell'elettrolita utilizzato per la sgrossatura, Ivanovskaya et al. ha dimostrato la sgrossatura della pellicola sottile Pt senza delaminazione. Questa pubblicazione si è concentrata sull'utilizzo di questo nuovo approccio per aumentare la superficie degli elettrodi di registrazione e stimolazione del platino sulle sonde neurali microfabbricate. Gli elettrodi sgrossati sono stati dimostrati per migliorare le prestazioni di registrazione e stimolazione e migliorare l'adesione delle pellicole depositate elettrochimicamente e migliorare la sensibilità del biosensore6. Ma questo approccio probabilmente migliora anche la pulizia superficiale degli array di elettrodi microfabbricati e migliora le capacità degli elettrodi a film sottile anche per altre applicazioni di sensori (ad esempio, gli aptasensori).
L'approccio ai macroelettrodi a film sottile ruvido (1,2 mm di diametro) e ai microelettrodi (diametro di 20 m) è descritto nel seguente protocollo. Ciò include la preparazione della superficie dell'elettrodo per la sgrossatura e come caratterizzare la rugosità dell'elettrodo. Questi passaggi sono presentati insieme a suggerimenti su come ottimizzare la procedura di sgrossatura per altre geometrie di elettrodi e i fattori più importanti per garantire che un elettrodo venga sgrossato in modo non distruttivo.
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Protocol
INFORMATIVA: Si prega di consultare tutte le schede tecniche di sicurezza pertinenti (SDS) prima dell'uso. Molte delle sostanze chimiche utilizzate in questo protocollo sono acutamente tossiche, cancerogene, ossidanti ed esplosive se utilizzate ad alte concentrazioni. I nanomateriali possono presentare rischi aggiuntivi rispetto alla loro controparte sfusa. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza appropriate quando si esegue questo protocollo, compreso l'uso di controlli di ingegneria (cappuccio di fumi) e dispositivi di protezione personale (occhiali di sicurezza, guanti, cappotto da laboratorio, pantaloni a tutta lunghezza, scarpe chiuse).
1. Pulizia degli elettrodi Pt prima della caratterizzazione iniziale e della sgrossatura della superficie
- Pulire chimicamente gli elettrodi in ozono con un detergente UV-ozone di laboratorio a 80 gradi centigradi per 10 min.
- Immergere la porzione della sonda contenente gli elettrodi in un solvente (ad esempio, un ammollo di 30 min in acetone per i microelettrodi dimostrata in questo protocollo).
NOTA: Altri metodi possono essere più efficaci per rimuovere gli organici dagli elettrodi a seconda dell'alloggiamento degli elettrodi e della geometria, ma questo ammollo solvente funziona bene per gli elettrodi nel protocollo. - Pulire elettrochimicamente la superficie di tutti gli elettrodi con un potenziale ciclivo ripetitivo in una soluzione acida di acido perclorico. La soluzione dell'acido perclorrico non ha bisogno di essere spurgo per modificare la concentrazione dei gas presenti.
- Caricare le impostazioni sul potenziato per applicare voltammogrammi ciclici (CV) agli elettrodi. Scansione da 0,22 V a 1,24 V vs Ag AgCl (o da -0,665 V a 0,80 V contro elettrodo di riferimento del solfato di mercurio (MSE), il riferimento utilizzato per la sgrossatura) ad una velocità di scansione di 200 mV/s.
NOTA: Indipendentemente dal materiale di riferimento utilizzato, tutte le potenzialità in questo documento sono fornite rispetto ad Ag Elettrodo di riferimento AgCl (saturo di KCl). Il potenziale scostamento tra la MSE (contenente 1,0 M H2SO4) utilizzata in questo studio e AgCl (saturato con KCl)è 0. 44 V11.- Nel software EC-Lab, nella scheda Esperimento, premere il segno . Nella finestra pop-up, appariranno le tecniche di inserimento.
- Fare clic su Tecniche elettrochimiche. Quando si espande, fare clic su Tecniche Voltamperometriche. Quando questo si espande, fare doppio clic su Ciclic Voltammetry - CV. 1-CV apparirà nella finestra Esperimento.
- Nella finestra Esperimento, inserisci i seguenti parametri:
Ei - 0 V vs Eoc
dE/dt 200 mV/s
E1 - -0.665 V vs Ref
E2 - 0,8 V vs Ref
n 200
Misura nell'ultimo 50% della durata del passaggio
Record in media oltre N : 10 passaggi di tensione
E Gamma - -2.5; 2,5 V
Irange - Auto
Larghezza di banda : 7
Scansione finale Ef - 0 V vs Eoc
- Immergi la punta dell'elettrodo del dispositivo in una soluzione di acidopercilrico (HClO 4) da 500 mM che contiene anche un contatore di filo Pt e un riferimento MSE.
NOTA: Per evitare alterazioni dei processi elettrochimici derivanti dalla contaminazione da ioni di cloruro, un elettrodo di riferimento privo di cloruro (ad es. AgCl o MSE, ecc. deve essere utilizzato per tutti i test eseguiti all'interno di elettroliti acidi in questo protocollo. - Collegare un elettrodo o brevi diversi elettrodi di un dispositivo multielettrodo insieme come l'elettrodo funzionante.
- Collegare gli elettrodi di lavoro, contatore e di riferimento al potenziatore.
- Nel software EC-Lab, nella finestra Esperimento, premere Impostazioni avanzate a sinistra.
- In Impostazioni avanzate, selezionare Configurazione elettrodi - CE per terra. Collegare l'elettrodo di lavoro, contatore e di riferimento ai cavi dello strumento, come mostrato nel diagramma di connessione dell'elettrodo.
- Premi il pulsante Esegui (triangolo verde nella finestra Esperimento) per iniziare l'esperimento.
- Eseguire cicli potenziali ripetitivi fino a quando i voltammogrammi appaiono sovrapporre visivamente da un ciclo all'altro. Ciò si verifica in genere dopo 50-200 CV.
- Caricare le impostazioni sul potenziato per applicare voltammogrammi ciclici (CV) agli elettrodi. Scansione da 0,22 V a 1,24 V vs Ag AgCl (o da -0,665 V a 0,80 V contro elettrodo di riferimento del solfato di mercurio (MSE), il riferimento utilizzato per la sgrossatura) ad una velocità di scansione di 200 mV/s.
2. Caratterizzazione elettrochimica della superficie dell'elettrodo prima della sgrossatura
- Eseguire tutte le caratterizzazioni elettrochimiche nella configurazione a 3 elettrodi descritta in precedenza nei passaggi 1.3.2 - 1.3.4. Tutti i potenziali nei seguenti passi sono dati nei confronti di un Elettrodo di riferimento AgCl. Utilizzare un filo Pt come controelettrodo. Utilizzare un Elettrodo AgCl per la caratterizzazione eseguita in salina con buffer fosfato (PBS), ma utilizzare un AgCl o MSE come riferimento per tutti i test eseguiti in soluzioni acide.
- Impostazioni di carico sul potenziatoper per l'applicazione di CV da -0,22 a 1,24 V vs Ag AgCl (o da -0,665 V a 0,80 V vs MSE) ad una velocità di scansione di 50 mV/s. Sommerge la punta dell'elettrodo del dispositivo in un becher di deossigenato 500 mM HClO4 (deossigenato con N2 gas per 10 min) che contiene anche un elettrodo di filo Pt e un riferimento MSE.
- Nel software EC-Lab, nella scheda Esperimento, premere il segno . Nella finestra pop-up, appariranno le tecniche di inserimento.
- Clicca su Tecniche elettrochimiche. Quando si espande, fare clic su Tecniche Voltamperometriche. Quando questo si espande, fare doppio clic su Ciclic Voltammetry - CV. 1-CV apparirà nella finestra Esperimento.
- Nella finestra Esperimento, inserisci i seguenti parametri:
Ei - 0 V vs Eoc
dE/dt 50 mV/s
E1 - -0.665 V vs Ref
E2 - 0,8 V vs Ref
n 10
Misura nell'ultimo 50% della durata del passaggio
Record in media oltre N : 10 gradini di tensione
E Gamma - -2.5; 2,5 V
Irange - Auto
Larghezza di banda : 7
Scansione finale Ef - 0 V vs Eoc
NOTA: Le uniche differenze tra questa configurazione e quella descritta in precedenza nel passaggio 1.3 sono l'uso di 500 mM deossigenato HClO4 e l'assicurache venga utilizzato un solo elettrodo come elettrodo funzionante. Nel software EC-Lab, nella finestra Esperimento, premere Impostazioni avanzate a sinistra. - In Impostazioni avanzate, selezionare Configurazione elettrodi - CE per terra. Collegare l'elettrodo di lavoro, contatore e di riferimento ai cavi dello strumento, come mostrato nel diagramma di connessione dell'elettrodo.
- Premi il pulsante Esegui (triangolo verde nella finestra Esperimento) per iniziare l'esperimento.
- Eseguire cicli potenziali ripetitivi fino a quando i voltammogrammi appaiono sovrapporre visivamente da un ciclo all'altro.
- Calcolare la superficie dell'elettrodo dai picchi di adsorbimento dell'idrogeno dei CV altamente riproducibili (sovrapposti) utilizzando il metodo di J. Rodriguez, et al.11.
- Determinare la carica associata all'adsorbimento di un monostrato di idrogeno (Q) alla superficie dell'elettrodo integrando i due picchi catodici di
un CV tra i potenziali in cui la corrente catodica si discosta dalla corrente a doppio strato ( ) e l'idrogeno l'evoluzione inizia (
) dopo aver sottratto la carica associata alla carica del monostrato ( ).
Anche il tasso di scansione (,) influisce su questo adsorption. Utilizzare l'equazione seguente per determinare Q.
Rappresentazione grafica dell'area integrata può essere trovata in J. Rodriguez, et al.11. - Calcolare la superficie effettiva (A) di un elettrodo dividendo Q per la densità di carica della formazione del monostrato di idrogeno (k). Per una superficie di P policristallino atomicamente piatta, k
A - Q / k
- Determinare la carica associata all'adsorbimento di un monostrato di idrogeno (Q) alla superficie dell'elettrodo integrando i due picchi catodici di
- Se i due picchi catodici di un CV Pt sono mal risolti, stimare la superficie dell'elettrodo dalla capacità a doppio strato nell'interfaccia elettrode-soluzione. L'uso dell'approccio descritto al punto 2.1.1, quando i picchi di idrogeno sono mal risolti, porterà a risultati imprecisi.
- Misurare gli spettri impediti di un singolo elettrodo in condizioni di circuito aperto in PBS (pH 7.0, 30 mS/cm di conduttività). Immergere la punta dell'elettrodo del dispositivo in PBS che contiene anche un elettrodo contatore di filo Pt e riferimento MSE. Collegare un elettrodo alla volta come l'elettrodo funzionante. Successivamente, utilizzare un potentiostat per applicare un'onda segno impedibile con un'ampiezza di 10 mV sopra l'intervallo di frequenza 1 Hz - 100 kHz.
- Nel software EC-Lab, nella scheda Esperimento, premere il segno . Nella finestra pop-up, appariranno le tecniche di inserimento.
- Fare clic su Tecniche elettrochimiche. Quando si espande, fare clic su Impedance Spectroscopy. Quando questo si espande, fare doppio clic su Potentio Electrochemical Impedance Spectroscopy. 1-PEIS linea apparirà nella finestra Esperimento.
- Nella finestra Esperimento, inserisci i seguenti parametri:
Ei - 0 V vs Eoc
fi 1 Hz
ff - 100 kHz
Nd - 6 punti per decennio
Nella spaziatura logaritmica
Va 10 mV
Pw - 0,1
Na n. 3
nc - 0
E Gamma - -2.5; 2,5 V
Irange - Auto
Larghezza di banda : 7 - Nel software EC-Lab, nella finestra Esperimento, premere Impostazioni avanzate a sinistra.
- In Impostazioni avanzate, selezionare Configurazione elettrodi - CE per terra. Collegare l'elettrodo di lavoro, contatore e di riferimento ai cavi dello strumento, come mostrato nel diagramma di connessione dell'elettrodo.
- Premi il pulsante Esegui (triangolo verde nella finestra Esperimento) per iniziare l'esperimento.
- Misurare gli spettri impediti di un singolo elettrodo in condizioni di circuito aperto in PBS (pH 7.0, 30 mS/cm di conduttività). Immergere la punta dell'elettrodo del dispositivo in PBS che contiene anche un elettrodo contatore di filo Pt e riferimento MSE. Collegare un elettrodo alla volta come l'elettrodo funzionante. Successivamente, utilizzare un potentiostat per applicare un'onda segno impedibile con un'ampiezza di 10 mV sopra l'intervallo di frequenza 1 Hz - 100 kHz.
- Determinare la capacità a doppio strato dagli spettri di impedimento dell'elettrodo (raccolti al punto 2.1.4.1) adattando gli spettri con un modello di circuito equivalente utilizzando un software di analisi impedibile.
NOTA: Analisi nei risultati rappresentativi e in Ivanovskaya, et al. 6 è stato effettuato con l'impedance analysis fitting tool : Fit.- Nel software EC-Lab, fare clic su Carica file di dati nel menu Elenco esperimenti.
- Selezionare il tipo di stampa Nyquist Impedance nella barra dei menu superiore.
- Fate clic su Analisi (Analysis),quindi selezionate Spettroscopia Impedance Elettrochimica (Electrochemical Impedance Spectroscopy)e fate clic su Adatta (Fit).
- Quando viene visualizzata la finestra a comparsa Bio-Logics di adattamento, fare clic sul pulsante Modifica
- Selezionare Circuito di visualizzazione con 2 elementi e scegliere R1 e Q1 dall'elenco dei modelli di circuito equivalenti. Fare clic su OK.
- Espandere la sezione Adatta della finestra popup e assicurarsi che le impostazioni siano Randomize , Simplex, arrestare randomize a 5.000 iterazioni e interrompere l'adattamento su 5.000 iterazioni.
- Premere il pulsante Calcola e osservare gli spettri di adattamento iniziali aggiunti al grafico. Premere Riduci a icona e osservare l'adattamento finalizzato.
- Regolare i contorni di adattamento (cerchi verdi) per escludere i dati rumorosi o distorti dall'adattamento. I parametri di adattamento stimati verranno visualizzati nella sezione Risultati.
- Assicurarsi che il modello di circuito equivalente calcolato si adatti a un grafico Nyquist dei dati che include la resistenza ohmica (R) in serie con un angolo di fase costante (CPE).
- Prendere nota del valore di capacità a doppio strato (Q) che fa parte del CPE nel modello di circuito equivalente.
- Stimare la variazione della superficie come rapporto di Q misurata prima e dopo l'ingrossamento poiché la capacità a doppio strato (Q) aumenta linearmente con l'area di superficie attiva12.
- Impostazioni di carico sul potenziatoper per l'applicazione di CV da -0,22 a 1,24 V vs Ag AgCl (o da -0,665 V a 0,80 V vs MSE) ad una velocità di scansione di 50 mV/s. Sommerge la punta dell'elettrodo del dispositivo in un becher di deossigenato 500 mM HClO4 (deossigenato con N2 gas per 10 min) che contiene anche un elettrodo di filo Pt e un riferimento MSE.
un CV tra i potenziali in cui la corrente catodica si discosta dalla corrente a doppio strato ( ) e l'idrogeno l'evoluzione inizia (
) dopo aver sottratto la carica associata alla carica del monostrato ( ).
Anche il tasso di scansione (,) influisce su questo adsorption. Utilizzare l'equazione seguente per determinare Q.
3. Sgrossamento elettrochimico di un macroelettrodo
NOTA: La sgrossatura elettrochimica è guidata da una serie di impulsi di ossidazione/riduzione che provocano la crescita e la dissoluzione dell'ossido. Nel caso di un anione debolmente assorbente (come HClO4), questa dissoluzione è accompagnata da Pt cristallolite redeposition mentre nel caso di anioni fortemente adsordimento (come H2SO4) questo processo si traduce in preferibile intergrain Pt dissoluzione che crea microfessure nella superficie dell'elettrodo6. Pertanto, l'uso di elettrolita HClO4 ad alta purezza è essenziale per prevenire microcchiere nella superficie dell'elettrodo.
- Utilizzare un potentiostat in grado di applicare impulsi di tensione con la larghezza dell'impulso di 2 ms per sgrossare i macroelettrodi. Questa procedura può essere fatto con entrambi potentiostat sulla lista dei materiali di accompagnamento.
- Programmare i seguenti parametri nel potentiostat per sgrossare un macroelettrodo a disco Pt di 1,2 mm di diametro.
- Iniziare il protocollo di sgrossatura con una serie di impulsi di ossidazione/riduzione tra -0,15V (Vmin)e 1,9 - 2,1 V (V max) a 250 Hz con un ciclo di servizio di 1:1 per 10 - 300 s. La durata dell'applicazione dell'impulso determina l'entità della sgrossatura, più a lungo si verifica la sgrossatura più sgrossatura. Utilizzare la figura 1A e la discussione come guida per determinare i parametri specifici necessari per ottenere una particolare rugosità della superficie.
- Aprire il programma VersaStudio.
- Espandere il menu Esperimento e selezionare Nuovo.
- Nella finestra popup Seleziona azione visualizzata, scegliere Impulsi a potenziale rapido e immettere il nome del file desiderato quando richiesto. La linea degli impulsi a potenziale rapido verrà quindi visualizzata nella scheda Azioni da eseguire.
- Compilare quanto segue nelle proprietà delle proprietà Fast Potential Pulses/Pulse. Immettere Numero di impulsi: 2, Potenziale (V) 1 - -0,39 vs Ref per 0,002 s e Potenziale (V) 2 x 1,56 vs Ref per 0,002 s.
- In Proprietà di scansione, compilare: Tempo per punto : 1 s, numero di cicli: 50.000 (per 200 s durata).
- In Proprietà strumento, immettere Intervallo corrente - Automatico.
- Programmare il potentiostat per seguire immediatamente la serie di impulsi con una prolungata applicazione di un potenziale di riduzione costante (-0,15 V (o -0,59 V vs MSE) per 180 s) per ridurre completamente eventuali ossidi prodotti e stabilizzare la superficie dell'elettrodo.
- Nel software VersaStudio, premere il pulsante s per inserire un nuovo passaggio.
- Fare doppio clic su Chronoamperometry.
- Immettete Potenziale (V) - -0,59, Tempo per punto (s) - 1 e Durata (s) - 180.
- Utilizzare la rappresentazione visiva del paradigma descritto nei passaggi 3.2.1. e 3.2.2 ( Figura 2) per aiutare nella programmazione del potenziatore.
NOTA: i parametri specifici variano per diverse geometrie degli elettrodi, ma utilizzando i parametri precedenti come punto di partenza e quindi la variazione della duratamassima e impulso V è il metodo consigliato per ottimizzare i parametri di sgrossatura per altre geometrie. L'utilizzo di una soluzione HClO4 ad alta purezza è essenziale per questo passaggio.
- Iniziare il protocollo di sgrossatura con una serie di impulsi di ossidazione/riduzione tra -0,15V (Vmin)e 1,9 - 2,1 V (V max) a 250 Hz con un ciclo di servizio di 1:1 per 10 - 300 s. La durata dell'applicazione dell'impulso determina l'entità della sgrossatura, più a lungo si verifica la sgrossatura più sgrossatura. Utilizzare la figura 1A e la discussione come guida per determinare i parametri specifici necessari per ottenere una particolare rugosità della superficie.
- Immergere l'elettrodo contenente la punta del dispositivo in 500 mM HClO4 che contiene anche un elettrodo contatore di filo Pt e l'elettrodo di riferimento MSE. Quindi collegare un singolo elettrodo come elettrodo funzionante e applicare il paradigma pulsante per sgrossare l'elettrodo.
- In VersaStudio, premere il pulsante Esegui nel menu per avviare la sgrossatura.
4. sgrossatura elettrochimica di un microelettrodo
- Utilizzare un potentiostat in grado di applicare impulsi di tensione con la larghezza dell'impulso di 62,5 s per sgrossare i microelettrodi. Il potenziaostat VMP-300 sulla lista dei materiali non è in grado di applicare questi impulsi brevi, mentre il VersaSTAT 4 potentiostat può applicare i impulsi rapidi necessari per sgrossare i microelettrodi a film sottile.
- Programmare i seguenti parametri nel potentiostat per sgrossare un microelettrodo a disco Pt di 20 m di diametro fabbricato a filo con il suo materiale isolante. Il protocollo di sgrossatura può essere applicato a un singolo elettrodo o a diversi elettrodi accorciati insieme (vedi spiegazione aggiuntiva al punto 4.3).
- Iniziare il protocollo di sgrossatura con una serie di impulsi di ossidazione/riduzione tra -0,25V (Vmin)e 1,2 - 1,4 V (V max) a 4.000 Hz con un ciclo di servizio di 1:3 (ossidazione:larghezza impulso di riduzione) per 100 s. Utilizzare le indicazioni nella discussione per aiutare determinare i parametri specifici necessari per altre geometrie di elettrodi.
- Aprire il programma VersaStudio.
- Espandere il menu Esperimento e selezionare Nuovo.
- Nella finestra popup Seleziona azione visualizzata, scegliere Impulsi a potenziale rapido e immettere il nome del file desiderato quando richiesto. La linea degli impulsi a potenziale rapido verrà quindi visualizzata nella scheda Azioni da eseguire.
- Compilare quanto segue nelle proprietà Proprietà di Impulsi potenziali veloci /Pulse, immettere Numero di impulsi : 2, Potenziale (V) 1 - -0,49 vs Ref per 0,0625 ms e Potenziale (V) 2 x 1,06 vs Ref per 0,1875 ms.
- In Proprietà di scansione, compilare: Ora per punto : 1 s e numero di cicli: 400.000 (per una durata di 100 s).
- In Proprietà strumento, immettere Intervallo corrente - Automatico.
- Programmare il potentiostat per seguire immediatamente la serie di impulsi con un potenziale di riduzione prolungato (-0,20 V per 180 s) per ridurre completamente gli ossidi prodotti e stabilizzare la chimica della superficie dell'elettrodo.
- Nel software VersaStudio, premere il pulsante s per inserire un nuovo passaggio.
- Fare doppio clic su Chronoamperometry.
- Immettete Potenziale (V) - -0,64, Tempo per punto (s) - 1 e Durata (s) - 180.
NOTA: l'utilizzo di una soluzione HClO4 ad alta purezza è essenziale per questo passaggio.
- Iniziare il protocollo di sgrossatura con una serie di impulsi di ossidazione/riduzione tra -0,25V (Vmin)e 1,2 - 1,4 V (V max) a 4.000 Hz con un ciclo di servizio di 1:3 (ossidazione:larghezza impulso di riduzione) per 100 s. Utilizzare le indicazioni nella discussione per aiutare determinare i parametri specifici necessari per altre geometrie di elettrodi.
- Immergere l'elettrodo contenente la punta del dispositivo in 500 mM HClO4 che contiene anche un elettrodo contatore filo Pt e riferimento MSE. Quindi collegare un singolo elettrodo o diversi elettrodi corti come elettrodo di lavoro e applicare il paradigma pulsante. In modalità potentiostatica, gli elettrodi possono essere accorciati quando la resistenza traccia all'interno del dispositivo è piccola. In questa situazione, la caduta ohmica attraverso un dispositivo è trascurabile, quindi tutti gli elettrodi corti sperimenteranno il potenziale applicato.
- In VersaStudio, premere il pulsante Esegui nel menu nella parte superiore dello schermo per avviare la sgrossatura.
NOTA: la sgrossatura dei microelettrodi può richiedere la regolazione dei parametri di pulsazione a seconda della geometria dell'elettrodo, della composizione Pt e della topologia (ad esempio, la profondità del pozzo per un elettrodo incassato nel materiale isolante). Iniziare con i parametri elencati di seguito e modificare il valore Vmax per iniziare l'ottimizzazione dei parametri di sgrossatura per diverse geometrie degli elettrodi. I diversi parametri pulsanti per tre diverse geometrie sono riepilogati nella Tabella 1.
5. Caratterizzazione della superficie dell'elettrodo dopo la sgrossatura
- Determinare l'aumento della superficie effettiva dei macroelettrodi utilizzando i passaggi 2.1.1-2.1.5.
- Determinare l'aumento della superficie effettiva dei microelettrodi utilizzando i passaggi 2.1.1-2.1.5.
- Osservare i cambiamenti nell'aspetto degli elettrodi dopo la sgrossatura nella microscopia ottica come perdita di lucentezza metallica (vedi Risultati rappresentativi) e nella microscopia elettronica a scansione (SEM)6 come evidente diminuzione della levigatezza della superficie.
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Representative Results
Uno schema che mostra l'applicazione di tensione per la sgrossatura sia macroelettrodi che microelettrodi è illustrato nella Figura 2. La microscopia ottica può essere utilizzata per visualizzare la differenza nell'aspetto di un macroelettrodo sgrossato (Figura 3) o di un microelettrodo (Figura 4). Inoltre, la caratterizzazione elettrochimica della superficie Pt mediante spettroscopia impedibile e voltammetria ciclica può facilmente mostrare l'aumento della superficie attiva di un macroelettrodo sgrossato (Figura1) e microelettrodo ( Figura 5). La relazione tra la rugosità della superficie e il numero di impulsi di sgrossatura applicati (durata pulsing) è illustrata per i macroelettrodi nella Figura 4. Per ogni nuova geometria dell'elettrodo, all'interno sia dei regimi macroelettrodi che di microelettrodi, sarà probabilmente necessaria l'ottimizzazione dei parametri di sgrossatura per ottenere la superficie sgrossata ideale per diverse applicazioni. La tabella 1 presenta un esempio di diversi parametri di sgrossatura per aumentare al massimo l'area della superficie attiva degli elettrodi per diverse geometrie di elettrodi.
Figura 1 . Caratterizzazione elettrochimica macroelettrodiPt grezzo. (A) Fattore di rugosità in funzione della durata dell'impulso durante la sgrossatura dei macroelettrodi (diametro 1,2 mm) in 0,5 M HClO4 con Vmax, 1,9 V e Vmin- -0,15 V, 250 Hz applicati per durate diverse. (B) Tensione ciclica (velocità di scansione di 100 mV/s) di un macroelettrodo Pt sgrossato in 0,5 M HClO4 con Vmax, 1,9 V di ampiezza dell'impulso, 250 Hz 300 s pulsazione con conseguente un aumento di 44x dell'area misurato in 0,5 M HClO4 prima (blu) e dopo (rosso) sgrossatura. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 . Schema del paradigma pulsante di tensione per la sgrossatura degli elettrodi. La sgrossatura inizia con una serie di impulsi di ossidazione/riduzione tra un potenziale riduttivo, tipicamentenegativo (Vmin)e un potenziale ossidativo, tipicamente positivo (V max) immediatamente seguito da un'applicazione prolungata e costante di un potenziale riduttivo per ridurre completamente gli ossidi prodotti pulsando e stabilizzare la chimica della superficie dell'elettrodo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 . Immagini di microscopia ottica di macroelettrodi Pt. Superficie dell'elettrodo (A) come sputtered prima della sgrossatura e (B) dopo sgrossatura in soluzione di acido perclorrico. I parametri per la sgrossatura si trovano nella tabella 1. Ogni elettrodo ha un diametro di 1,2 mm. SEM delle superfici degli elettrodi può essere visto in Ivanovskaya, et al.6. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 . Immagini di microscopia ottica di microelettrodi Pt sgrossati in soluzione di acido perclorrico. I parametri per la sgrossatura si trovano nella Tabella1 con l'ampiezza di Vmax come unica differenza tra gli elettrodi mostrati qui. Da sinistra a destra Vmax : (A) 1.2, (B) 1.3, (C) 1.4 (V vs Ag AgCl). Ogni elettrodo ha un diametro di 20 m. SEM delle superfici degli elettrodi può essere visto in Ivanovskaya, et al.6. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5 . Caratterizzazione elettrochimica dei microelettrodi Roughened Pt. (A) Impedinza del microelettrodo Pt ruvido (disco da 20 m) in PBS. L'impempimento misurato (cerchio nero) sull'intervallo di frequenza di 10 Hz - 100 kHz è mostrato sovrapposto dall'impedimento modellato (x rossa) dal modello di circuito equivalente. (B) Tensioneciclica ciclica (velocità di scansione di 500 mV/s) di microelettrodo Pt sgrossato in 0,5 M HClO4 con Vmax1,4 V di ampiezza dell'impulso misurata prima (blu) e dopo (rosso) sgrossatura. L'elettrodo sgrossato ha una superficie attiva aumentata di 2,6 volte calcolata in base a un rapporto di fattori di rugosità descritto nel passaggio 2,1,3 (ruvidità superficiale prima di 1,48, rugosità della superficie dopo 3,8). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Impulsi potenziali | continuo | Fattore di rugosità (a) stimato dal CV (b) stimato dall'EIS |
||||||
| potenziale | ||||||||
| Geometria dell'elettrodi | Vmin | Vmax | Frequenza (Hz) | Ciclo | Durata (s) | potenziale | Durata (s) | |
| (V) | (V) | (V) | ||||||
| Disco Pt di 1,2 mm di diametro | -0,15 | 1.9 – 2,1 | 250 anni | 1:1 (in vie t-1) | 10-300 | -0,15 | 180 del sistema | 44 (a) |
| Disco Pt di 20 m di diametro | -0,25 | 1.2 - 1,4 | 4000 | 1:3 (in modo non il più necessario | 100 del sistema | -0,25 | 180 del sistema | 2.6 (a) 2,7 (b) |
| Disco Pt di 10 m di diametro | -0,25 | 1.1 (inquesto> | 4000 | 1:3 (in modo non il più necessario | 100 del sistema | -0,25 | 180 del sistema | 2.2 (b) |
Tabella 1. Parametri ottimizzati per la sgrossatura di diverse geometrie di elettrodi.
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Discussion
La sgrossatura elettrochimica di macroelectrodi e microelettrodi a film sottile è possibile con pulsazione di riduzione dell'ossidazione. Questo approccio semplice richiede diversi elementi chiave per sgrossare in modo non distruttivo gli elettrodi a film sottile. A differenza dei fogli, l'ingrossamento di pellicole metalliche sottili può portare alla distruzione del campione se i parametri non sono scelti correttamente. I parametri critici della procedura di sgrossatura sono ampiezza dell'impulso, durata e frequenza. Inoltre, garantire la pulizia degli elettrodi e la purezza dell'acido perclorrico prima della procedura sono fondamentali per prevenire danni agli elettrodi. La presenza di sostanze organiche o contaminanti dal processo di microfabbricazione può contribuire alla distruzione dell'elettrodo tramite corrosione o delaminazione. Pertanto, è fondamentale pulire l'ozono e immergere il dispositivo, nonché preparare elettrochimicamente la superficie dell'elettrodo prima dell'inizio della sgrossatura.
La sgrossatura elettrochimica è guidata da una serie di impulsi di ossidazione/riduzione che provocano la crescita e la dissoluzione dell'ossido ripetitivo. Nel caso di un anione debolmente assorbente (come HClO4), questo processo è accompagnato da ri-deposizione cristalloste Pt. Ma, nel caso di un anione fortemente adsorbing (come H2SO4), questo processo si traduce nella formazione di microcrack a causa della dissoluzione Preferibile intergrain Pt6. La presenza di cloruro può anche causare la distruzione dell'elettrodo durante il processo di sgrossatura. Per questo motivo, è anche fondamentale utilizzare acido perclorrico ad alta purezza, un elettrodo di riferimento privo di cloruro (o senza perdite) ed eliminare qualsiasi altra potenziale fonte di contaminazione da cloruro.
Se si utilizza impedimento per stimare la superficie dei microelettrodi (passaggio 2.1.4), tenere a mente queste cose. Gli spettri di impediamo un elettrodo Pt pulito in PBS in condizioni di circuito aperto dovrebbero risultare in una trama Nyquist lineare. Questa linearità indica una risposta puramente capacitiva. Una significativa flessione o deviazione dalla linearità indicherebbe il trasferimento di carica a causa della cinetica lenta della riduzione dell'ossigeno disciolto6. Nel software di analisi impedibile, un modello di circuito equivalente viene utilizzato per adattare le curve a questo grafico Nyquist. Questo modello di circuito equivalente è costituito da resistenza ohmica (R) in serie con un elemento di fase costante (CPE), in cui R è composto dalla traccia del dispositivo resistenza elettrica e resistenza ionica della soluzione e il CPE rappresenta la capacità a doppio strato al interfaccia elettrode-soluzione. I parametri CPE della capacità a doppio strato (Q) e dell'esponente (z) vengono estratti dal montaggio degli spettri di impedimento. Tipicamente osservati valori Q per pulito, sputtered Pt in PBS sono vicini a 50 f / s1 cm2 (in buon accordo con l'intervallo 10-60 F/cm2 osservato su elettrodi metallici lisci in test simili6,12).
Gli elettrodi qui erano tutti dischi di 250 nm di spessore sputtered Pt, fabbricati a filo con il materiale in poliimide flessibile che isola l'array6,13,14. I parametri di sgrossatura saranno diversi per le diverse geometrie degli elettrodi all'interno delle scale macroelettrode e microelettrodo (mostrata nella tabella1) e dovranno essere ottimizzazione per nuove geometrie di elettrodi. Anche se non è stato studiato qui, ci possono essere anche differenze nei parametri necessari per sgrossare gli elettrodi della stessa geometria in base alla loro topografia (ad esempio, come incasso nel substrato isolante si trova l'elettrodo o se l'elettrodo viene creato attraverso evaporazione invece di sputtering). I parametri ottimali di sgrossatura possono dipendere dalle tecniche di fabbricazione della pellicola sottile utilizzate per creare il dispositivo perché il modo in cui viene creata una pellicola può influenzare la dimensione del grano e l'orientamento preferenziale dei domini cristallini Pt nel Pt che può alterare il metallo reattività.
Con questo approccio di sgrossatura, gli elettrodi più grandi possono sopportare unmassimoV maggiore. Questa ampiezza dell'impulso maggiore consente un aumento maggiore di 10 volte il fattore di rugosità dei macroelettrodi rispetto ai microelettrodi. Ciò limita l'applicabilità della tecnica per la sgrossatura dei microelettrodi se è necessaria una rugosità superiore a 10 volte superiore. I macroelettrodi di diametro grezzi di 1,2 mm con un aumento di 44 x della superficie hanno mostrato limiti di iniezione di carica di 0,5 - 1,39 mC/cm2, che sono paragonabili ai materiali di nitrato di titanio e nanotubi di carbonio e da 2 a 4 volte superiori al platino non trattato campioni6.
Oltre ai grafici Nyquist illustrati nella Figura 5A per caratterizzare l'effetto di sgrossatura sui microelettrodi, i grafici di Bode per l'impedimento di macroelettrodi sgrossati e microelettrodi sono mostrati in Ivanovskaya, et al6. Da queste trame Bode, l'impedimento a 1 kHz per un macroelettrodo sgrossato in modo ottimale è 2,5 volte inferiore all'elettrodo prima della sgrossatura (208.7 k per non trattata a 83.7 kper l'elettrodo sgrossato). E per i microelettrodi, l'impedibile a 1 kHz è stato abbassato di 2x (da 672 k , non trattato a 336 k, per l'elettrodo sgrossato).
I parametri critici del protocollo sono l'ampiezza dell'impulso, la durata e la frequenza e devono essere adattati a seconda delle dimensioni dell'elettrodo e della morfologia. Quando si ottimizzano i parametri di sgrossatura per un nuovo tipo di elettrodo, iniziare con i parametri nella Tabella1 e iniziare a variare Vmax. La regolazione fine del fattore di rugosità (o di una superficie desiderata) può quindi essere ottenuta variando la durata dell'impulso. Mentre i parametri di pulsazione specifici possono richiedere lievi modifiche a seconda della geometria dell'elettrodo, della topologia e della composizione Pt, questa tecnica di sgrossatura può essere utilizzata per migliorare l'adesione delle pellicole elettrodepositate e migliorare le caratteristiche degli elettrodi, ad esempio come impedimento, limiti di iniezione di carica e capacità di stoccaggio di carica, come dimostrato in Ivanovskaya, et al.6.
Le ricette per la sgrossatura elettrochimica dei fogli metallici esistono da quasi cinque decenni1 e la sgrossatura elettrochimica del metallo è ancora interessante a causa della semplicità e dell'utilità dell'approccio. Tuttavia, l'uso di questo semplice approccio per sgrossare gli elettrodi a film sottile non era così semplice e c'erano poche informazioni disponibili sulla procedura per sgrossare con successo le pellicole metalliche sottili. Con l'approccio qui descritto, gli elettrodi a pellicola sottile possono ora essere facilmente sgrossati elettrochimicamente. Questi elettrodi ruvidi possono essere utilizzati per migliorare la registrazione e la stimolazione degli elettrodi nelle sonde neurali, migliorare l'adesione delle pellicole depositate elettrochimicamente ai substrati, migliorare la sensibilità dei biosensori, migliorare la sensibilità dell'aptasensore basato su pellicola sottile, o per pulire gli array di elettrodi dopo la fabbricazione.
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Disclosures
Gli autori non dichiarano interessi finanziari concorrenti.
Acknowledgments
Gli autori desiderano ringraziare il Lawrence Livermore National Laboratory's Center for Bioengineering per il supporto durante la preparazione di questo manoscritto. Il professor Loren Frank è gentilmente riconosciuto per le sue collaborazioni con il gruppo che hanno permesso la fabbricazione e la progettazione dei microarray Pt a film sottile discussi nel lavoro di cui sopra. Questo lavoro è stato eseguito sotto l'egida del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti dal Lawrence Livermore National Laboratory sotto Contratto DE-AC52-07NA2734 e finanziato dal Lab Directed Research and Development Award 16-ERD-035. LlNL IM release 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 |
References
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