Analysis of ethanol concentration and refractive-index by use of surface plasmon resonance effect

A surface plasmon sensor has been fabricated for detection of concentration and refractive-index of a mixed solution. Based on the Kretschmann-Raether attenuated-total-reflection configuration, the sensor consists of 54 nm-thick Ag metal layer under a prism and a cell containing the mixed solution. We have observed a nonlinear refractive-index change as the ethanol-water concentration increased. The experimental results show us that the detection limit of the SPR sensor is 3$\times$10$^{-2}$ % in ethanol mass ratio. The concentration-to-index curve shows a linear increase in the range of ethanol concentration from 0% to 50%, but a nonlinearity is observed beyond 50%. We have modeled the nonlinearity and compared it with the experimental results.

표면 플라즈몬 공명에 의한 에탄올의 농도 및 굴절률 분석

감쇠 전반사(attenuated total reflection)를 이용하여 액체의 농도 변화를 측정할 수 있는 표면 플라즈몬 공명 센서를 제작하였다. 센서의 구조는 프리즘 밑면에 금속 박막을 코팅하고 그 밑에 유전체론 접촉시킨 Kretschmann-Raether타입으로 하였고, 금속 박막으로는 센서 물질로 적합한 은(Ag) 박막을 사용하였다. 본 센서의 특성은 일반적으로 금속 박막의 두께에 영향을 받는데, 이론적 분석을 통하여 은 박막의 경우 54 nm의 두께에서 매우 좋은 특성을 나타냄을 알 수 있었다. 물과 에탄올을 혼합한 용액에서 에탄올의 농도를 변화시켜 가며 이에 따른 보면 플라즈몬 공명 각을 측정하였고, 표면 플라즈몬 공명 각의 변화로부터 혼합 용액의 농도 변화를 구하였다. 에탄올의 농도가 증가하여 50% 질량비 가지 변하는 구간에서 SPR센서가 매우 좋은 특성을 보였으며, 에탄올의 농도 변화를 3$\times$$10^{-2}$ % 질량비 가지 측정할 수 있었다. 또한 물과 에탄올을 혼합한 용액의 굴절률이 용액의 농도 변화에 따라 비선형적으로 변함을 관측하였으며, 물과 에탄을 혼합 용액의 농도에 따른 밀도 변화를 이용해 굴절률 변화의 비선형적 경향을 설명할 수 있었다.