薄膜铂金宏观和微电极的电化学粗加工

摘要

该协议演示了一种在晶粒边界上不优先溶解的薄膜铂电极电化学粗加工方法。介绍了循环伏抗和阻抗光谱的电化学技术,以表征这些电极表面。

摘要

该协议演示了一种在金属晶粒边界上不优先溶解薄膜铂电极电化学粗加工的方法。该方法得到一种无裂纹的薄膜大电极表面,有源表面积增加40倍。在标准电化学表征实验室中,粗加工很容易进行,并引入电压脉冲的应用,随后在高氯酸溶液中扩展应用还原电压。该协议包括宏观尺度(1.2 mm直径)和微尺度(20微米直径)铂盘电极表面的化学和电化学制备,对电极表面进行粗加工,并描述表面粗加工对电极有源表面积。这种电化学表征包括循环伏抗和阻抗光谱,并针对宏电极和微电极进行了演示。粗加工可增加电极有源表面积,降低电极阻抗,增加相同几何形状的氮化钛电极的铂电荷注入极限,并改进基板,使其附着电化学沉积薄膜.

引言

近五十年前,首次观测到表面增强拉曼光谱(SERS)发生在电化学粗化银1。金属箔的电化学粗加工今天仍然具有吸引力,因为它比其他粗加工方法2,3的简单性,它在许多应用中的有用性,如改进aptamer传感器4,改善神经探针5,提高金属基板6的附着力。许多散装金属^的电化学粗加工方法存在1、5、7、8、9、10。然而,直到最近,还没有关于电化学粗加工应用于薄(百纳米厚)金属薄膜^的报告,尽管微制薄膜金属电极在很多领域普遍存在。

建立的方法粗糙厚铂(Pt)电极5,8分层薄膜Pt电极6。通过调节粗加工过程的频率和用于粗加工的电解质,Ivanovskaya 等人演示了 Pt 薄膜粗加工,无需分层。该出版物侧重于使用这种新方法增加微制神经探头上铂记录和刺激电极的表面面积。该电极的粗加工性能提高了记录和刺激性能,提高了电化学沉积膜的附着力,提高了生物传感器的灵敏度6.但是,这种方法还可能改进微制电极阵列的表面清洁,并增强薄膜电极用于其他传感器应用(例如 aptasensor)的能力。

在以下协议中描述了粗制薄膜宏电极(1.2 mm直径)和微电极(20μm直径)的方法。这包括为粗加工而制备电极表面,以及如何描述电极的粗糙度。介绍了这些步骤,并介绍了如何针对其他电极几何形状优化粗加工过程以及确保电极无损粗加工的最重要因素。

研究方案

注意:请在使用前查阅所有相关的安全数据表 (SDS)。本议定书中使用的几种化学品在高浓度下使用时具有剧毒、致癌、氧化和爆炸性。与散装材料相比,纳米材料可能具有额外的危害。执行此协议时,请使用所有适当的安全实践,包括使用工程控制(烟罩)和个人防护设备(安全眼镜、手套、实验室外套、全长裤子、闭趾鞋)。

1. 在初始表征和表面粗加工之前清洁 Pt 电极

1. 用实验室紫外线-臭氧清洁剂在80°C下对臭氧下的电极进行化学清洁10分钟。
2. 将含有电极的探头部分浸泡在溶剂中(例如,本协议所示微电极的丙酮浸泡30分钟)。
   注:根据电极外壳和几何形状,其他方法可能更有效地从电极上去除有机物,但这种溶剂浸泡对协议中的电极非常有效。
3. 在上氯酸酸性溶液中重复电位循环,以电化学方式清洁所有电极的表面。高氯酸溶液不需要清除以改变任何气体的浓度。
   1. 将设置加载到电位器上,以将循环伏象图 (CV) 应用于电极。扫描从 0.22 V 到 1.24 V vs Ag*AgCl(或-0.665 V至0.80 V与硫酸汞参考电极(MSE,用于粗加工的参考)的扫描速率为200 mV/s。
      注:无论使用何种参考材料,本文中所有电位均针对 Ag®AgCl(饱和于KCl)参考电极。本研究中使用的 MSE(包含 1.0 M H₂SO₄₎与 Ag_AgCl(已饱和 KCl)^{为 0。}44 V¹¹.
      1. 在 EC-Lab 软件中,在"实验"选项卡下,按+符号添加电化学技术。在弹出窗口中,将显示插入技术。
      2. 点击电化学技术。当它展开时,点击伏尔加图测量技术。当扩展时,双击循环伏特-CV。1-CV行将显示在"实验"窗口中。
      3. 在"实验"窗口中,填写以下参数:
         Ei = 0 V vs Eoc
         dE/dt = 200 mV/s
         E1 = -0.665 V vs 参考
         E2 = 0.8 V vs 参考
         n = 200
         测量 超过步骤持续时间的最后 50%
         记录 N = 10 个电压步长的平均值
         E 范围 = -2.5;2.5 V
         Irange = 自动
         带宽 = 7
         端扫描 Ef = 0 V vs Eoc
   2. 将器件的电极尖端浸入500mM上氯酸(HClO₄₎溶液中,该溶液还含有Pt线计数器电极和MSE参考。
      注:为了避免氯化物受到污染导致电化学过程发生改变,无氯化物参考电极(例如无泄漏 Ag+AgCl 或 MSE 等)必须用于本协议中酸性电解质内执行的所有测试。
   3. 将多电极器件的一个电极或多个电极作为工作电极连接在一起。
   4. 将工作电极、计数器电极和参考电极连接到电位。
   5. 在 EC-Lab 软件中,在"实验"窗口中,按左侧的"高级设置"。
   6. 在"高级设置"下,选择"电极配置+ CE到接地"。将工作电极、计数器电极和参考电极连接到仪器引线,如电极连接图所示。
   7. 按"运行"按钮(实验窗口下的绿色三角形)开始实验。
   8. 执行重复的潜在循环,直到伏象图在视觉上从一个周期重叠到下一个周期。这通常发生在 50-200 CV 之后。

2. 粗加工前电极表面的电化学特性

1. 在步骤 1.3.2 - 1.3.4 中如上所述的 3 电极配置中执行所有电化学表征。以下步骤中的所有潜力都针对 Ag+AgCl 参考电极。使用 Pt 导线作为计数器电极。使用传统的 Ag_AgCl 电极用于在磷酸盐缓冲盐水 (PBS) 中进行表征,但使用无泄漏 Ag_AgCl 或 MSE 作为酸性溶液中所有测试的参考。
   1. 在电位上加载设置,用于应用 CV 的负载设置,范围从 -0.22 到 1.24 V vs vs Ag*AgCl(或-0.665 V至0.80 V vs MSE),扫描速率为50 mV/s。将器件的电极尖端浸入脱氧 500 mM HClO₄的烧杯中(与 N₂气体脱氧约约 10 分钟),其中还含有 Pt 线计数器电极和 MSE 参考。
      1. 在 EC-Lab 软件中,在"实验"选项卡下,按+符号添加电化学技术。在弹出窗口中,将显示插入技术。
      2. 单击电化学技术。当它展开时,点击伏尔加图测量技术。当扩展时,双击循环伏特-CV。1-CV行将显示在"实验"窗口中。
      3. 在"实验"窗口中,填写以下参数:
         Ei = 0 V vs Eoc
         dE/dt = 50 mV/s
         E1 = -0.665 V vs 参考
         E2 = 0.8 V vs 参考
         n = 10
         测量 超过步骤持续时间的最后 50%
         记录 [lt;I> N = 10 个电压步长] 的平均值
         E 范围 = -2.5;2.5 V
         Irange = 自动
         带宽 = 7
         端扫描 Ef = 0 V vs Eoc
         注: 此设置与步骤 1.3 中描述的设置的唯一区别是使用脱氧 500 mM HClO 4,并确保只有一个电极用作工作电极。在 EC-Lab 软件中,在"实验"窗口中,按左侧的"高级设置"。
      4. 在"高级设置"下,选择"电极配置+ CE到接地"。将工作电极、计数器电极和参考电极连接到仪器引线,如电极连接图所示。
      5. 按"运行"按钮(实验窗口下的绿色三角形)开始实验。
      6. 执行重复的潜在循环,直到伏象图在视觉上从一个周期重叠到下一个周期。
   2. 使用J.Rodríguez^等人11的方法,计算高度可重复(重叠)CV的氢吸附峰的电极表面积。
      1. 通过在阴极电流偏离双层电流 ()和氢气的电位之间集成 CV 的两个阴极峰,确定与吸附氢单层 (Q) 相关的电荷进化在减去与单层电荷()相关的电荷后开始 ()扫描速率 (*) 也影响这种吸附.使用下面的公式确定 Q。
           
         综合区的图形表示可以在J.Rodríguez等人^第11条中找到。
      2. 通过将 Q 除以氢单层 (k) 形成的电荷密度来计算电极的有效表面积 (A)。对于原子扁平多晶Pt表面,k = 208 μC/cm²。
         A = Q / k
   3. 如果 Pt CV 的两个阴极峰解析不良,则从电极解接口的双层电容中估计电极表面积。当氢峰值解决不良时,使用步骤 2.1.1 中描述的方法将导致不准确的结果。
      1. 在PBS(pH 7.0,30 mS/cm电导率)的开路条件下测量单个电极的阻抗光谱。在 PBS 中浸入器件的电极尖端,该电极尖还包含 Pt 线计数器电极和 MSE 参考。一次连接一个电极作为工作电极。接下来,使用电位器在频率范围 1 Hz - 100 kHz 上应用振幅为 10 mV 的阻抗信号波。
         1. 在 EC-Lab 软件中,在"实验"选项卡下,按+符号添加电化学技术。在弹出窗口中,将显示插入技术。
         2. 点击电化学技术。当它展开时,点击阻抗光谱。扩展时,双击波蒂奥电化学阻抗光谱。 1-PEIS线将显示在实验窗口中。
      2. 在"实验"窗口中,填写以下参数:
         Ei = 0 V vs Eoc
         fi = 1 Hz
         ff = 100 kHz
         Nd = 每十点 6 分
         在对数间距中
         Va = 10 mV
         Pw = 0.1
         纳 = 3
         nc = 0
         E 范围 = -2.5;2.5 V
         Irange = 自动
         带宽 = 7
      3. 在 EC-Lab 软件中,在"实验"窗口中,按左侧的"高级设置"。
      4. 在"高级设置"下,选择"电极配置+ CE到接地"。将工作电极、计数器电极和参考电极连接到仪器引线,如电极连接图所示。
      5. 按"运行"按钮(实验窗口下的绿色三角形)开始实验。
   4. 使用阻抗分析软件将光谱与等效电路模型拟合,确定电极阻抗光谱中的双层电容(在步骤 2.1.4.1 中收集)。
      注:分析具有代表性的结果和伊万诺夫斯卡娅等人。⁶使用阻抗分析拟合工具 Z Fit 执行。
      1. 在 EC-实验室软件中,单击"实验列表"菜单下的"加载数据文件"。
      2. 在顶部菜单栏中选择"奈奎斯特阻抗"绘图类型。
      3. 单击"分析",然后选择电化学阻抗光谱,然后单击Z 拟合。
      4. 当出现Z-Fit 生物逻辑弹出窗口时,单击"编辑"按钮
      5. 选择具有 2 个元素的显示电路,并从等效电路型号列表中选择R1 + Q1。单击"确定"。
      6. 展开弹出窗口的"拟合"部分,并确保设置为随机化 + Simplex,在 5,000 次迭代时停止随机化,并在 5,000 次迭代时停止拟合。
      7. 按"计算"按钮并观察添加到绘图中的初始拟合光谱。按下"最小化"并观察最终拟合。
      8. 调整拟合边界(绿色圆圈),以排除拟合中的杂度或失真数据。估计拟合参数将显示在"结果"部分下。
   5. 确保计算的等效电路模型适合具有恒定相位角 (CPE) 的串联包含欧米电阻 (R) 的数据奈奎斯特图。
      1. 请注意作为等效电路模型中 CPE 一部分的双层电容值 (Q)。
      2. 由于双层电容(Q)随有源表^面积12线性增加,因此将表面积的变化作为粗加工前后测量的Q比率进行估计。

3. 宏电极的电化学粗加工

注:电化学粗加工由一系列氧化/还原脉冲驱动,这些脉冲会导致氧化物生长和溶解。在弱吸附阴离子的情况下(如HClO_4),这种溶解伴随着Pt晶体重沉积,而在强吸附阴离子的情况下(如H₂SO 4),这个过程导致优先的分因间Pt在电极表面产生微裂纹^的溶解6。因此,使用高纯度 HClO₄电解质对于防止电极表面出现微裂纹至关重要。

1. 使用电位器,能够应用具有 2 ms 脉冲宽度的电压脉冲来粗糙宏电极。此过程可在随附的材料列表中使用任一电位。
2. 将以下参数编程到电位器中,以粗加工直径为 1.2 mm 的 Pt 磁盘宏电极。
   1. 在 250 Hz 时,以 -0.15 V (V_min)和 1.9 - 2.1 V (V_最大值)之间的一系列氧化/还原脉冲开始粗加工协议,占空比为 1:1,为 10 - 300 s。脉冲应用的持续时间决定了粗加工的范围,脉冲越长,粗加工越粗糙。使用图 1A和讨论作为指南,以帮助确定实现特定表面粗糙度所需的特定参数。
      1. 打开 VersaStudio 程序。
      2. 展开"实验"菜单并选择"新建"。
      3. 在显示的"选择操作"弹出窗口中,选择"快速潜在脉冲",并在出现提示时输入所需的文件名。然后,快速电位脉冲线将显示在要执行的操作选项卡下。
      4. 在快速电位脉冲/脉冲属性下填写以下内容。输入脉冲数= 2,电位 (V) 1 = -0.39 vs 参考为 0.002 秒,电位 (V) 2 = 1.56 与参考为 0.002 秒。
      5. 在"扫描属性"下,填写:每点的时间= 1 s,循环次数:50,000(持续时间为 200)。
      6. 在"仪器属性"下,输入"当前范围=自动"。
   2. 对电位器进行编程,以立即跟踪一系列脉冲,并长时间应用恒定减小电位(-0.15 V(或 -0.59 V vs MSE),持续 180 秒,以完全减少产生的任何氧化物并稳定电极表面。
      1. 在 VersaStudio 软件中,按+按钮插入新步骤。
      2. 双击计时测量。
      3. 输入电位 (V) = -0.59,每点时间 (s) = 1,持续时间 (s) = 180。
   3. 使用步骤 3.2.1 中描述的范例的可视化表示形式。和 3.2.2(图 2),以帮助编程电位。
      注: 特定参数因电极几何形状而异,但使用上述参数作为起点,然后改变 V_最大值和脉冲持续时间是优化其他几何形状的粗加工参数的推荐方法。使用高纯度 HClO₄解决方案对于此步骤至关重要。
3. 将包含器件尖端的电极浸入 500 mM HClO₄中,该电极还包含 Pt 线计数器电极和 MSE 参考电极。然后连接单个电极作为工作电极,并应用脉冲范式对电极进行粗加工。
4. 在 VersaStudio 中,按菜单中的"运行"按钮开始粗加工。

4. 微电极的电化学粗加工

1. 使用电位器,该电位可以应用具有 62.5 μs 脉冲宽度的电压脉冲来粗糙微电极。材料清单上的 VMP-300 电位器无法应用这些短脉冲,而 VersaSTAT 4 电位器可以应用粗糙薄膜微电极所需的快速脉冲。
2. 将以下参数编程到电位器中,以粗加工直径为 20 μm 的 Pt 盘微电极,使其与绝缘材料齐平。粗化方案可应用于单个电极或多个短路的电极(参见步骤 4.3 中的其他说明)。
   1. 以 -0.25 V (V min) 和 1.2 -1.4 V (V 最大值) 之间的一系列氧化/还原脉冲开始粗加工协议,在 4,000 Hz 时分,占空比为 1:3(氧化:减少脉冲宽度),用于 100 秒。确定其他电极几何形状所需的特定参数。
      1. 打开 VersaStudio 程序。
      2. 展开"实验"菜单并选择"新建"。
      3. 在显示的"选择操作"弹出窗口中,选择"快速潜在脉冲",并在出现提示时输入所需的文件名。然后,快速电位脉冲线将显示在要执行的操作选项卡下。
      4. 在快速电位脉冲/脉冲属性下填写以下内容,输入脉冲数= 2,电位 (V) 1 = -0.49 vs 参考为 0.0625 ms,电位 (V) 2 = 1.06 vs 参考为 0.1875 ms。
      5. 在"扫描属性"下,填写:每点的时间= 1 s,周期数:400,000(持续时间为 100 s)。
      6. 在"仪器属性"下,输入"当前范围 =自动"。
   2. 对电位器进行编程,以立即跟踪具有长期还原电位(-0.20 V 表示 180 秒)的脉冲系列,以完全减少产生的任何氧化物并稳定电极表面的化学成分。
      1. 在 VersaStudio 软件中,按+按钮插入新步骤。
      2. 双击计时测量。
      3. 输入电位 (V) = -0.64,每点时间 (s) = 1,持续时间 (s) = 180。
         注:使用高纯度 HClO₄解决方案对于此步骤至关重要。
3. 将包含器件尖端的电极浸入 500 mM HClO₄中,该电极还包含 Pt 线计数器电极和 MSE 参考。然后连接单个电极或几个短路电极作为工作电极,并应用脉冲模式。在电位静态模式下,当器件内的微量电阻较小时,电极可能会短路。在这种情况下,通过器件的欧姆滴可以忽略不计,因此所有短路的电极都将体验到应用电位。
4. 在 VersaStudio 中,按屏幕顶部菜单的"运行"按钮开始粗加工。
   注: 微电极的粗加工可能需要根据电极几何形状、Pt 组成和拓扑(例如,绝缘材料中凹陷的电极的井深度)调整脉冲参数。从此处列出的参数开始,然后修改 V_最大值,开始优化不同电极几何形状的粗加工参数。表1总结了三个不同几何形状的不同脉冲参数。

5. 粗加工后的电极表面特征

1. 使用步骤 2.1.1-2.1.5 确定宏电极的有效表面积增加。
2. 使用步骤 2.1.1-2.1.5 确定微电极有效表面积的增加。
3. 观察光学显微镜中粗加工后电极外观的变化,作为金属光泽度的损失(参见代表性结果)和扫描电子显微镜(SEM)6,作为表面平滑度的明显降低。

结果

图2显示了对宏电极和微电极进行粗加工的电压应用的示意图。光学显微镜可用于可视化粗化宏电极(图3)或微电极(图4)外观的差异。此外,使用阻抗光谱和循环伏抗法对Pt表面的电化学表征可以很容易地显示粗化宏电极(图1)和微电极(图1)的活性表面积增加(图 5.<...

讨论

薄膜大电极和微电极的电化学粗加工可以通过氧化还原脉冲进行。这种简单的方法确实需要几个关键元素来无损粗糙薄膜电极。与铝箔不同,如果参数没有正确选择,薄膜的粗加工可能导致样品破坏。粗加工过程的关键参数是脉冲振幅、持续时间和频率。此外,确保电极清洁度和在手术前的高氯酸纯度对于防止电极损坏至关重要。微加工过程中存在有机物或污染物,会通过腐蚀或分层造成电极的破坏。...

材料

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