CAPES; CNPq; FINEP; Fundação Araucária / Neste trabalho apresenta-se um sistema ótico inteligente apto a localizar a posição de impactos mecânicos aplicados em uma estrutura plana. Para isso, os transdutores foram caracterizados, preliminarmente, quanto à deformação mecânica. Nesta aplicação, quatro redes de Bragg em fibra ótica foram instaladas em uma placa quadrada de polimetil-metacrilato, submetida a um conjunto de impactos em condições controladas. As respostas fornecidas pelos transdutores foram utilizadas para modelar e testar redes neurais artificiais. O sistema demonstrou possuir a capacidade para realizar a tarefa de encontrar a posição do distúrbio, mesmo em pontos de impacto diferentes daqueles apresentados na etapa de treinamento. O maior erro médio quadrático medido na fase de testes foi de 1,1 cm em relação ao ponto de impacto, sendo que os pontos localizavam-se a uma distância de 5 cm uns dos outros e estavam demarcados em uma superfície de prova com 60 cm de comprimento, 60 cm de largura e 6 mm de espessura. / In this work is presented an intelligent optical sensor capable to localize the position of mechanical impacts on a flat surface structure. The transducers were previously characterized relatively to mechanical strain. In this application, four optical fiber Bragg gratings were installed on a polymethyl methacrylate square plate, subjected to a set of mechanical impacts under controlled conditions. The responses provided by the transducers were used to model and test Artificial Neural Networks. The system showed the capacity to determine the disturbance positions, even at impact points different from the ones used in the training stage. The higher mean square error obtained in the test stage was 1,1 cm relatively to the impact position, wherein the points were located at a distance of 5 cm from each other on a test surface with 60 cm length , 60 cm width and 6 mm height.

La actual pandemia de la Covid-19 ha puesto al Perú, un país que no se encontraba preparado para un evento de esta magnitud, en una posición poco favorable. En el ámbito de salud se ha visto el uso de respiradores faciales como una opción para evitar el contagio masivo. Sin embargo, los medios que se tienen a nivel local para asegurar la calidad de estos insumos son poco eficaces. Es por esto por lo que en la presenta investigación se ha optado por indagar en tecnologías que permitan la rápida clasificación por medio de pruebas de estos equipos de protección. Se investigó acerca de la actualidad de equipos automatizados de pruebas de eficiencia de filtrado y de tecnologías subyacentes de estos equipos y la actualidad de estas. Además, se indagó específicamente el funcionamiento de los detectores de partículas como una de las partes fundamentales de estos sistemas. Es así como se logró identificar los avances tecnológicos en equipos de pruebas de eficiencia de filtrado. Estas innovaciones tienen como objetivo mejorar la precisión de los instrumentos y poder llevarlos a ser utilizados en ensayos que contengan partículas más pequeñas, que pudieran asemejar el tamaño de virus. Otra innovación remarcable es la del uso de equipos para la simulación de la respiración humana y así poder someter al respirador facial a pruebas más cercanas a la realidad. Los resultados de esta investigación lograron recabar la información necesaria para iniciar el diseño de un equipo que permita detectar partículas en el medio. Añadido a esto, se logró identificar las mejores alternativas entre las distintas opciones que se encontraron para el desarrollo de este equipo basándose en la complejidad de estas y en la capacidad que tienen para cumplir el objetivo del equipo.

In this thesis we have presented a thorough study on the optical and sensoristic properties of SRSN Mu-disks, in an isolated configuration and when coupled to a passive Si3N4 waveguide placed underneath. The whole structure of the device have been previously simulated in order to study the behavior of the supported WGM when subject to a geometrical variation (i.e.: radius, thickness, shape of the edge of the isolated Mu-disk): the obtained results granted the realization of Mu-resonators with Q factor exceeding 104. The coupled structure have been then simulated with the main goal of maximizing the WGM intensity transmitted at the end of the WG. This task has been fulfilled through a careful optimization of the geometrical parameters (i.e.: X-Gap and Z-Gap). The subsequent step, involving the fabrication process of the sample - realized in the Centro Nacional de Microelectronica (CNM) of Bellaterra - has been carried out using standard CMOS compatible process. The deposition and the implantation of the Si3N4 has been performed by means of LPCVD technique, while for the SiO2 deposition the PECVD. Finally the optical elements has been defined by means of a two level photolithographic mask. On the produced samples we have performed a superficial analysis (SEM, AFM) with the aim of evaluate the presence of geometrical imperfections and estimation of the superficial roughness. Furthermore the EFTEM analysis revealed the absence of Si-nc inside the active layer. Using the Cut-back technique, low losses under 1 dB/cm have been found in both VIS and IR spectral range in the passive WG of different width. On the other hand, applying the SES technique on an Si-rich WG structure we have been able to extract the losses value of active material in a wide and continuous range of wavelength, defined inside the PL spectrum. As a result of a careful optimization of the active SRSN in terms of PL intensities and optical losses, we have been able to produce bright and high Q isolated Mu-disks, achieving maximum values about 1.4x104 in a wide spectral range in the VIS and emitting up to few nW on a single resonance. The reported Q values are the best ever reported in circular Si-based light emitting Mu-cavities and are just limited by the spectral resolution of our experimental setup. The coupled structures demonstrated Q values up to 1.48x103, which are susceptible to be greatly improved through optimization of the fabrication process. Through a prof of concept , we have demonstrated that these structures are very sensible to the surrounding material and are able to detect refractive index changes with sensitivities of 51.79 nm/RIU and minimum measured refractive index change of 1.15x10-3 RIU. / En esta tesis, realizada en el departament d' Electrònica de la Universitat de Barcelona se ha presentado un estudio detallado the las propiedades ópticas y sensoras de estructuras resonantes tipo micro-disco fabricados íntegramente en nitruro de silicio enriquecido con silicio (SRSN). El estudio se ha llevado a cabo bien en estructuras aisladas o en una configuración acoplada con una guía de onda passiva situada debajo de la cavidad. La totalidad de la estructura ha sido simulada con el fin de estudiar el comportamiento de los modos resonantes WGM soportados cuando se cambian las condiciones de contorno geómetricas y del material. Los resultado obtenidos han permitido la realización de estructuras resonantes con factores de calidad superiores a 104. El objetivo de las simulaciones ha sido el de maximizar la intensidad transmitida de los modos soportados (WGM) al final de la guía de onda. Este hito ha sido cumplido gracias a la optimización de los parámetros geómetricos relativos (el X-gap y el Z-gap). Una vez producidas las muestras, se procedió a la realización de un análisis de superficie (SEM, AFM) para evaluar la rugosidad efectiva de las estructuras y las eventuales imperfecciones geométricas. Como resultado de la optimización del material activo en términos de intensidad de fotoluminiscencia y pérdidas ópticas, se consiguieron realizar cavidades resonantes de alta emisión luminosa y buenos factores de calidad. En un nuevo montaje experimental de u-PL desarrollado íntegramente para el estudio de estos dispositivos, se obtuvieron valores máximos de Q = 1.4x104 en un rango espectral ancho en el visible. La potencia emitida en cada resonancia ha sido medida y cuantificada en un valor de nW. Este valor permite la utilización de detectores de silicio integrados. Con el fin de evaluar la sensitividad del dispositivo, se han llevado a cabo medidas de u-PL cambiando el entorno del microdisco y monitorizando el desplazamiento espectral que sufre una determinada resonancia. El resultado de estas medidas muestra un desplazamiento de 1.37 nm como consecuencia de un índice de refracción de An = 0.0038 RIU (refractive index unit).

CAPES; CNPq; Fundação Araucária / Esta tese de doutorado apresenta um sistema de monitoração heterogêneo para a caracterização do processo de secagem e cura de filmes poliméricos e resina odontológica. Essa caracterização é de suma importância para aperfeiçoar o processo de fabricação e a escolha das matérias-primas dos mesmos, uma vez que parâmetros como a variação da espessura e a deformação mecânica no material estão diretamente ligadas à sua qualidade e durabilidade. O sensor heterogêneo emprega técnicas complementares para a quantificação de múltiplos parâmetros físicos, visando a compreensão das etapas que acontecem durante o processo de secagem e cura. Os ensaios se deram em períodos de 24 horas analisando amostras de tinta e verniz acrílicos e resina dentária. Foram quantificadas deformações longitudinais, variação de massa, espessura e índice de refração médio. Nas amostras de tinta e verniz acrílicos, obteve-se redução entre 60% e 70% no valor inicial da espessura, enquanto o comportamento do índice de refração do verniz foi associado às diferentes etapas do processo de secagem. As amostras de resina odontológica apresentaram redução da espessura menor que 5% em todos os ensaios realizados, percentual semelhante à variação do índice de refração. Todavia, as redes de Bragg identificaram um aumento de temperatura da resina odontológica de aproximadamente 20°C durante a fotoativação. A flexibilidade do sistema sensor heterogêneo demonstrado permite a análise do processo de secagem ou cura de uma ampla gama de filmes poliméricos e resinas, sem a necessidade de adaptações significativas no arranjo experimental. Com uma caracterização correta das etapas envolvidas na secagem ou cura, todo o processo que vai desde a formulação do produto à aplicação final pode ser otimizado, levando à melhoria da relação custo-benefício para cada aplicação pretendida. / This thesis presents a heterogeneous system to characterize the drying and curing process of polymer films and dental resin. This characterization is important to improve the manufacturing process and the choice of the raw materials, since parameters such as thickness variation and the mechanical deformation in the material are directly related to their quality and durability. The sensor employs heterogeneous complementary techniques for the quantification of multiple physical parameters, aimed to understand the steps that occur during drying and curing. The tests took place in periods of 24 hours analyzing samples of both acrylic paint and varnish, as well as dental resin. Longitudinal deformation, mass variation, thickness and mean refractive index were quantified. In samples of acrylic paint and varnish, a reduction between 60% and 70% in the initial value of the thickness was obtained, while the behavior of the refractive index of the varnish was associated with the different stages of the drying process. Samples of dental resin presented thickness decreasing less than 5% in all tests, percentage similar to the variation of the refractive index. However, fiber Bragg gratings have identified a temperature increase of the dental resin about 20 ° C during the polymerization. The flexibility of the heterogeneous sensor system demonstrated allows the analysis of drying or cure processes of a great variety of polymer films and resins, without the need for important changes in the experimental setup. With the correct characterization of the stages involved in the drying or cure, the whole process from the product formulation to the final application may result in an optimized and cost effective product for any intended application.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná / Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) / Nanopartículas (NPs) metálicas são uma classe importante de nanomateriais que têm fascinado cientistas pelas suas propriedades ópticas extraordinárias devido sua ressonância plasmônica de superfície. A frequência dessa ressonância depende fortemente do tamanho, forma, interações entre partículas vizinhas, propriedades dielétricas e meio em que as NPs se encontram. Sendo assim, as NPs tornaram-se materiais importantes para aplicações em sensoriamento óptico, pois podem melhorar a sensibilidade e, também, a seletividade desses sensores. Neste trabalho é reportado o crescimento de nanocompósitos formados por nanopartículas de prata (AgNPs) recobertas pelo complexo β-dicetonato de európio, [Eu(tta)3(H2O)2], em que o ligante tta é o β-tenoiltrifluoracetonato, em um substrato de sílica para futura aplicação em sensores de fibra óptica. Especificamente, esse trabalho oferece a oportunidade de estudar a interação entre a SPR das AgNPs e a fluorescência do complexo luminescente, bem como as mudanças nas propriedades ópticas do material como a intensificação da fluorescência pela presença da superfície metálica nanoparticulada (metal enhanced fluorescence - MEF) ou ainda a intensificação da absorção. Os resultados obtidos pelas caracterizações realizadas pelas técnicas de DRX, FT-IR e MET indicam que a rota química de síntese do nanocompósito proposta mostrou-se funcional e, além disso, os resultados obtidos por espectroscopia UV-Vis e por fotoluminescência mostraram a existência da interação entre a banda de absorção do complexo e a banda de absorção plasmônica das AgNPs. Nos espectros UV-Vis, foram observados deslocamentos para valores de maiores comprimento de onda da banda do complexo referente a transição π-π* do ligante tta, devido à interação eletromagnética entre as AgNPs e o [Eu(tta)3(H2O)2], quando as moléculas do complexo recobrem de maneira organizada a superfície das NPs, formando agregados J. Nos espectros de emissão, essa interação converteu-se em supressão da luminescência pela concentração do complexo, ou seja, pela perda de energia caracterizada pela formação de agregados J na superfície das AgNPs e, também, pela a perda de energia para a superfície metálica, competição de absorção entre as AgNPs e o complexo de európio no comprimento de onda de excitação. No entanto, quando a concentração do complexo é cerca de 10 vezes maior, foi observada a intensificação da luminescência, pois a SPR excita os emissores de luz próximo ao metal, por interações dipolo-dipolo. Sendo assim, as propriedades ópticas dos nanocompósitos estudados aqui mostram que tais materiais são excelentes candidatos para aumentar a sensibilidade dos sensores baseados em fibras ópticas. / Metallic nanoparticles (NPs) are an important class of nanomaterials that have fascinated scientists due to their extraordinary optical properties owing to their surface plasmon resonance (SPR). The SPR frequency is strongly dependent of the size, shape, interparticle interactions, dielectric properties and local environment of the nanoparticle. Therefore, NPs have been recognized in optical sensors application mainly due to their high sensitivity and selectivity displayed on devices. Herein, we report the growth of a nanocomposite formed by silver nanoparticles (AgNPs) coated with europium complex, [Eu(tta)3(H2O)2], onto the surface of silica substrate. For future application in fiber optic sensors. Specifically, this work offers the opportunity to study the interaction between the SPR of the AgNPs and the fluorescence of the luminescent complex and the changes in the optical properties of the material such as metal enhanced fluorescence (MEF) or the intensification of the absorption. The proposed route of synthesis of the nanocomposite was functional and the results showed the existence of the interaction between the complex absorption band and the surface plasmon band of the AgNPs. In the UV-Vis spectra, red shifts of the π-π* absorption were observed due to electromagnetic interaction between AgNPs and [Eu(tta)3(H2O)2] when the complex cover the surface of the NPs in an organized way (J-aggregates). In photoluminescence spectra, this interaction quenched the luminescence by concentration, that is, by the loss of energy characterized by the J-aggregation on the surface of the AgNPs and by the loss of energy for the metal surface due to absorption competition between the AgNPs and the europium complex. However, when the concentration of the complex is higher, metal enhanced fluorescence was observed because the SPR excites the light emitters near the metal, by dipole-dipole interactions. Thus, the optical properties of the nanocomposite studied here show that this material is an excellent candidate for increasing the sensitivity of the sensors.

CAPES / O presente trabalho visa auxiliar no desenvolvimento da instrumentação óptica para a detecção do petróleo e do dióxido de carbono; essa instrumentação servirá de base para o desenvolvimento de um sistema de monitoração do escoamento bifásico envolvendo dióxido de carbono (CO2 ) e petróleo. Na primeira parte foram efetuados estudos das propriedades ópticas do petró-leo e do CO2 na região do visível (VIS), NIR e infravermelho médio (MIR). Na região do NIR foram realizados trabalhos de caracterização óptica do CO2 , água e petróleo em regime estático e em regime dinâmico foram estudados o escoamento bifásico envolvendo água e ar. No estudo do CO2 foram apresentados resultados referentes à obtenção das linhas características de absorção na região de 1, 5 μm e 2, 0 μm, utilizando metodologias experimentais diferentes: com uma câmara de gás, com o uso fibras ópticas de cristal fotônico (PCF) e por fim com o uso de câmara com multi reflexões. Os resultados experimentais obtidos com o CO2 foram comparados com os resultados encontrados na literatura, coincidindo com valores da ordem de décimos de nanômetros para a região de 1, 5 μm. Ainda no estudo do CO2 foram observados, no experimento da câmara de gás, a relação da pressão na câmara com a amplitude das linhas características de absorção. Para o petróleo foram obtidos dados referentes à sua absorbância óptica nas regiões do VIS, NIR, MIR e infravermelho distante (FIR) através de inúmeras técnicas de espectroscopia analíticas comerciais e experimentais: espectroscopia no visível, de refletância (ATR) e por transformada de Fourier (FTIR). Os resultados do FTIR possibilitaram escolher regiões iniciais de menor absorbância do petróleo nas regiões do NIR e do MIR onde no futuro poderá ser aplicada a técnica óptica para a monitoração do CO2 diluído no petróleo, no NIR é a região de 1, 57 μm e no MIR a região espectral de 2, 0 μm e 4, 3 μm. Nas medidas experimentais na região de 4, 3 μm foi encontrado o valor da absorbância do petróleo de 0, 11 u.a./cm o que difere em duas ordens de grandeza com os resultados obtidos com o FTIR. Outro experimento feito com petróleo teve como objetivo resultados para a absorção de uma filme fino de petróleo usando uma fonte supercontínua e uma Análise de Espectro Óptico (OSA), e a obtenção de um coeficiente de atenuação óptica como o uso do PCF, os resultados foram comparados. Para trabalhos referentes à região espectral do FIR estão sendo estudados os efeitos da emissividade da radiação para diferentes corpos com o uso de uma câmara CCD operando na região do NIR e FAR. Todos os resultados obtidos para a absorbância do petróleo e CO2 foram comparados. Por fim no estudo óptico de soluções de petróleo foi observada a ressonância de plasmons de superfície (SPR) com luz incidente com um ângulo de 5 o com a normal do filme metálico encontrando uma variação de 45 nm por unidade de índice de refração. No trabalho de doutorado os melhores resultados foram obtidos na região de IR em 4, 3 μm, utilizando como fonte elementos resistivos e como detectores termopilhas, esses resultados foram obtidos para uma espessura de petróleo de 6 cm. / This work aims to assist the optical instrumentation development for oil and carbon dioxide detection: this instrumentation will serve as basis for the development of a monitoring system involving two-phase flow of carbon dioxide (CO2 ) and oil. In the first part studies were develo- ped on the optical properties of oil and CO2 in the visible region (VIS), NIR and mid infrared (MIR). In the NIR region were performed works of optical characterization of CO2 , water and oil in static regime and dynamic regime were studied the two-phase flow involving water and air. In the study of CO2 were presented results for obtaining the absorption characteristic lines in the region of 1.5 μm and 2.0 μm, using different experimental techniques: with the gas chamber with the use of photonic crystal optical fiber (PCF) and finally with the use camera with multi-reflections. The experimental results obtained from the CO2 were compared with the results found in the literature, coinciding with values of tenths of a nanometer order to the region of 1.5 μm. Still in the CO2 were observed, in the gas chamber, the relation between camera pressure with characteristics of absorption lines. Data were obtained for oil fot its optical absorbance in regions of the VIS, NIR, MIR and far infrared (FIR) through numerous techniques of commercial and experimental spectroscopy: Spectroscopy in visible reflectance (ATR) and Fourier transform (FTIR). The FTIR results allowed to choose the regions of lower initial absorbance of oil in the regions of the NIR and MIR which in the future may be applied to optical technique for monitoring the CO2 diluted in oil; this is in the NIR region of 1.57 μm and MIR spectral region of 2.0 μm and 4.3 μm. In the experimental measurements in the region of 4.3 μm was found the amount of oil absorbance of 0.11 u.a./cm which differ by two orders of magnitude with the results obtained with FTIR. Another experiment performed with oil was aimed to obtain results for absorption into a thin film oil using a supercontinuum source and an optical spectrum analyzer (OSA), and obtaining optical attenuation coefficient by using the PCF, the results were compared. For work on the spectral region of the FIR the effects of radiation emissivity to different materials with use of a CCD camera operating in the NIR and FAR region have being studied. All the results for the absorbance of the oil and CO2 were compared. Finally the optical study of oil solutions was observed at surface plasmon resonance (SPR) with incident light at an angle of 5 o with the metal film, finding a variation the 45 nm of refractive index unit. In the doctorate work the best results were obtained in the IR region of 4.3 μm , using as a source resistive elements and how detectors was utilized a thermopile, these results were obtained for a thick of oil of 6 cm.

CAPES; CNPq; Fundação Araucária / No presente trabalho foram estudadas as respostas de sensores óticos baseados em rede de período longo em cascata (CLPG) na avaliação de biocombustíveis (biodiesel de soja e etanol) em diferentes situações de não conformidade, simulando casos de possíveis adulterações ou ainda falhas no processo de fabricação. Para tanto, os dispositivos serviram como transdutores de índice de refração das substâncias analisadas. Em uma das aplicações dos sensores foram avaliadas misturas entre biodiesel de soja e óleo de soja comercial, sendo observado o desempenho do sensor ótico ao longo de toda a faixa de concentração de óleo em biodiesel (0 – 100%) e, as características metrológicas foram calculadas para três faixas de operação do sistema, abrangendo diferentes faixas de concentrações. Para as faixas 1 a 3, a sensibilidade variou de 0,06 – 0,30 nm / % v/v e a resolução de 0,17 a 0,03 % / v/v. Com o intuito de comparar resultados, as mesmas amostras de biodiesel-óleo foram avaliadas com técnicas de ultrassom, obtendo para esse, sensibilidade de 0,70 m/s / % v/v e resolução de 0,4 %. Outra situação estudada foi com relação às misturas entre biodiesel de soja e metanol e a resposta do sensor ótico apresentou resolução de 0,007 – 0,001 % / v/v. Por meio dessas respostas pôde-se desenvolver um método analítico no qual se utiliza o sensor ótico para a determinação de constituintes em misturas ternárias (biodiesel-óleo-metanol), desde que associando à operação do sensor a variação de temperatura das amostras. Em outra parte do trabalho, o sensor ótico também foi empregado na avaliação de etanol. A resposta do sensor para misturas etanol-metanol apresentou resolução de 0,19 % / v/v, enquanto que, a avaliação dessas mesmas substâncias utilizando o ultrassom, apresentou resolução de 0,26 % / v/v. Outra situação analisada com o sensor ótico, para a análise da conformidade do etanol combustível, foram amostras apresentando misturas ternárias (etanol-metanol-água) em que se fez necessária a avaliação dessas misturas por meio de um refratômetro de Abbe e medidas de densidade. Os resultados encontrados apresentaram-se promissores ao relacionar os dados refratométricos em relação às densidades obtidas para cada amostra, uma vez que, apenas um desses parâmetros não seria capaz de identificar a conformidade do produto. Foi possível então determinar, dentre todos os resultados, uma região de conformidade para o etanol combustível. / In the present work were studied the responses of the optical sensors based on cascaded long period gratings (CLPG) to evaluate biofuels (soy biodiesel and ethanol) in different situations of non-compliance, simulating cases of possible tampering or failures in the process of manufacturing. To this end, the devices served as refractive index transducers of the analyzed substances. One of the applications of the sensors were evaluate mixtures of soybean biodiesel and commercial soybean oil, observing the performance of the optical sensor over the whole range of biodiesel oil concentration (0 - 100%) and the metrological characteristics were calculated for three system operating ranges covering different concentration ranges. In lanes 1 through 3, the sensitivity ranged from 0.06 to 0.30 nm /% v / v and the resolution from 0.17 to 0.03% / v / v. In order to compare the results, the same samples of biodiesel oil, were assessed by ultrasound techniques for obtaining this, a sensitivity of 0.70 m / sec / v / v% and resolution of 0.4%. Another situation studied envolved mixtures of soybean biodiesel and methanol and the response of the optical sensor showed resolution from 0.007 to 0.001% / v / v. Through these responses could be developed an analytical method which uses the optical sensor for the determination of constituents of ternary mixtures (biodiesel - soybean oil - methanol) associating to the sensor the right temperature of the samples. Another part of the work, the optical sensor was used in the evaluation of ethanol. The sensor response for ethanol-methanol mixtures showed resolution of 0.19% / v / v, while the evaluation of those substances using ultrasound, showed resolution of 0.26% / v / v. Another situation observed using the optical sensor was the analysis of ethanol fuel with samples having ternary mixtures (ethanol-methanol-water) in which the evaluation of these mixtures by means of a refractometer Abbe and density measurements made necessary. The results presented in these analyses are promising when related the refractometric to densities datas obtained for each sample, since only one of these parameters would not be able to identify the product conformity. It was then possible to determine, among all results, a compliance region for ethanol fuel.

Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Fundação Araucária de Apoio ao Desenvolvimento Científico e Tecnológico do Paraná / Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) / Nanopartículas (NPs) metálicas são uma classe importante de nanomateriais que têm fascinado cientistas pelas suas propriedades ópticas extraordinárias devido sua ressonância plasmônica de superfície. A frequência dessa ressonância depende fortemente do tamanho, forma, interações entre partículas vizinhas, propriedades dielétricas e meio em que as NPs se encontram. Sendo assim, as NPs tornaram-se materiais importantes para aplicações em sensoriamento óptico, pois podem melhorar a sensibilidade e, também, a seletividade desses sensores. Neste trabalho é reportado o crescimento de nanocompósitos formados por nanopartículas de prata (AgNPs) recobertas pelo complexo β-dicetonato de európio, [Eu(tta)3(H2O)2], em que o ligante tta é o β-tenoiltrifluoracetonato, em um substrato de sílica para futura aplicação em sensores de fibra óptica. Especificamente, esse trabalho oferece a oportunidade de estudar a interação entre a SPR das AgNPs e a fluorescência do complexo luminescente, bem como as mudanças nas propriedades ópticas do material como a intensificação da fluorescência pela presença da superfície metálica nanoparticulada (metal enhanced fluorescence - MEF) ou ainda a intensificação da absorção. Os resultados obtidos pelas caracterizações realizadas pelas técnicas de DRX, FT-IR e MET indicam que a rota química de síntese do nanocompósito proposta mostrou-se funcional e, além disso, os resultados obtidos por espectroscopia UV-Vis e por fotoluminescência mostraram a existência da interação entre a banda de absorção do complexo e a banda de absorção plasmônica das AgNPs. Nos espectros UV-Vis, foram observados deslocamentos para valores de maiores comprimento de onda da banda do complexo referente a transição π-π* do ligante tta, devido à interação eletromagnética entre as AgNPs e o [Eu(tta)3(H2O)2], quando as moléculas do complexo recobrem de maneira organizada a superfície das NPs, formando agregados J. Nos espectros de emissão, essa interação converteu-se em supressão da luminescência pela concentração do complexo, ou seja, pela perda de energia caracterizada pela formação de agregados J na superfície das AgNPs e, também, pela a perda de energia para a superfície metálica, competição de absorção entre as AgNPs e o complexo de európio no comprimento de onda de excitação. No entanto, quando a concentração do complexo é cerca de 10 vezes maior, foi observada a intensificação da luminescência, pois a SPR excita os emissores de luz próximo ao metal, por interações dipolo-dipolo. Sendo assim, as propriedades ópticas dos nanocompósitos estudados aqui mostram que tais materiais são excelentes candidatos para aumentar a sensibilidade dos sensores baseados em fibras ópticas. / Metallic nanoparticles (NPs) are an important class of nanomaterials that have fascinated scientists due to their extraordinary optical properties owing to their surface plasmon resonance (SPR). The SPR frequency is strongly dependent of the size, shape, interparticle interactions, dielectric properties and local environment of the nanoparticle. Therefore, NPs have been recognized in optical sensors application mainly due to their high sensitivity and selectivity displayed on devices. Herein, we report the growth of a nanocomposite formed by silver nanoparticles (AgNPs) coated with europium complex, [Eu(tta)3(H2O)2], onto the surface of silica substrate. For future application in fiber optic sensors. Specifically, this work offers the opportunity to study the interaction between the SPR of the AgNPs and the fluorescence of the luminescent complex and the changes in the optical properties of the material such as metal enhanced fluorescence (MEF) or the intensification of the absorption. The proposed route of synthesis of the nanocomposite was functional and the results showed the existence of the interaction between the complex absorption band and the surface plasmon band of the AgNPs. In the UV-Vis spectra, red shifts of the π-π* absorption were observed due to electromagnetic interaction between AgNPs and [Eu(tta)3(H2O)2] when the complex cover the surface of the NPs in an organized way (J-aggregates). In photoluminescence spectra, this interaction quenched the luminescence by concentration, that is, by the loss of energy characterized by the J-aggregation on the surface of the AgNPs and by the loss of energy for the metal surface due to absorption competition between the AgNPs and the europium complex. However, when the concentration of the complex is higher, metal enhanced fluorescence was observed because the SPR excites the light emitters near the metal, by dipole-dipole interactions. Thus, the optical properties of the nanocomposite studied here show that this material is an excellent candidate for increasing the sensitivity of the sensors.

CAPES / O presente trabalho visa auxiliar no desenvolvimento da instrumentação óptica para a detecção do petróleo e do dióxido de carbono; essa instrumentação servirá de base para o desenvolvimento de um sistema de monitoração do escoamento bifásico envolvendo dióxido de carbono (CO2 ) e petróleo. Na primeira parte foram efetuados estudos das propriedades ópticas do petró-leo e do CO2 na região do visível (VIS), NIR e infravermelho médio (MIR). Na região do NIR foram realizados trabalhos de caracterização óptica do CO2 , água e petróleo em regime estático e em regime dinâmico foram estudados o escoamento bifásico envolvendo água e ar. No estudo do CO2 foram apresentados resultados referentes à obtenção das linhas características de absorção na região de 1, 5 μm e 2, 0 μm, utilizando metodologias experimentais diferentes: com uma câmara de gás, com o uso fibras ópticas de cristal fotônico (PCF) e por fim com o uso de câmara com multi reflexões. Os resultados experimentais obtidos com o CO2 foram comparados com os resultados encontrados na literatura, coincidindo com valores da ordem de décimos de nanômetros para a região de 1, 5 μm. Ainda no estudo do CO2 foram observados, no experimento da câmara de gás, a relação da pressão na câmara com a amplitude das linhas características de absorção. Para o petróleo foram obtidos dados referentes à sua absorbância óptica nas regiões do VIS, NIR, MIR e infravermelho distante (FIR) através de inúmeras técnicas de espectroscopia analíticas comerciais e experimentais: espectroscopia no visível, de refletância (ATR) e por transformada de Fourier (FTIR). Os resultados do FTIR possibilitaram escolher regiões iniciais de menor absorbância do petróleo nas regiões do NIR e do MIR onde no futuro poderá ser aplicada a técnica óptica para a monitoração do CO2 diluído no petróleo, no NIR é a região de 1, 57 μm e no MIR a região espectral de 2, 0 μm e 4, 3 μm. Nas medidas experimentais na região de 4, 3 μm foi encontrado o valor da absorbância do petróleo de 0, 11 u.a./cm o que difere em duas ordens de grandeza com os resultados obtidos com o FTIR. Outro experimento feito com petróleo teve como objetivo resultados para a absorção de uma filme fino de petróleo usando uma fonte supercontínua e uma Análise de Espectro Óptico (OSA), e a obtenção de um coeficiente de atenuação óptica como o uso do PCF, os resultados foram comparados. Para trabalhos referentes à região espectral do FIR estão sendo estudados os efeitos da emissividade da radiação para diferentes corpos com o uso de uma câmara CCD operando na região do NIR e FAR. Todos os resultados obtidos para a absorbância do petróleo e CO2 foram comparados. Por fim no estudo óptico de soluções de petróleo foi observada a ressonância de plasmons de superfície (SPR) com luz incidente com um ângulo de 5 o com a normal do filme metálico encontrando uma variação de 45 nm por unidade de índice de refração. No trabalho de doutorado os melhores resultados foram obtidos na região de IR em 4, 3 μm, utilizando como fonte elementos resistivos e como detectores termopilhas, esses resultados foram obtidos para uma espessura de petróleo de 6 cm. / This work aims to assist the optical instrumentation development for oil and carbon dioxide detection: this instrumentation will serve as basis for the development of a monitoring system involving two-phase flow of carbon dioxide (CO2 ) and oil. In the first part studies were develo- ped on the optical properties of oil and CO2 in the visible region (VIS), NIR and mid infrared (MIR). In the NIR region were performed works of optical characterization of CO2 , water and oil in static regime and dynamic regime were studied the two-phase flow involving water and air. In the study of CO2 were presented results for obtaining the absorption characteristic lines in the region of 1.5 μm and 2.0 μm, using different experimental techniques: with the gas chamber with the use of photonic crystal optical fiber (PCF) and finally with the use camera with multi-reflections. The experimental results obtained from the CO2 were compared with the results found in the literature, coinciding with values of tenths of a nanometer order to the region of 1.5 μm. Still in the CO2 were observed, in the gas chamber, the relation between camera pressure with characteristics of absorption lines. Data were obtained for oil fot its optical absorbance in regions of the VIS, NIR, MIR and far infrared (FIR) through numerous techniques of commercial and experimental spectroscopy: Spectroscopy in visible reflectance (ATR) and Fourier transform (FTIR). The FTIR results allowed to choose the regions of lower initial absorbance of oil in the regions of the NIR and MIR which in the future may be applied to optical technique for monitoring the CO2 diluted in oil; this is in the NIR region of 1.57 μm and MIR spectral region of 2.0 μm and 4.3 μm. In the experimental measurements in the region of 4.3 μm was found the amount of oil absorbance of 0.11 u.a./cm which differ by two orders of magnitude with the results obtained with FTIR. Another experiment performed with oil was aimed to obtain results for absorption into a thin film oil using a supercontinuum source and an optical spectrum analyzer (OSA), and obtaining optical attenuation coefficient by using the PCF, the results were compared. For work on the spectral region of the FIR the effects of radiation emissivity to different materials with use of a CCD camera operating in the NIR and FAR region have being studied. All the results for the absorbance of the oil and CO2 were compared. Finally the optical study of oil solutions was observed at surface plasmon resonance (SPR) with incident light at an angle of 5 o with the metal film, finding a variation the 45 nm of refractive index unit. In the doctorate work the best results were obtained in the IR region of 4.3 μm , using as a source resistive elements and how detectors was utilized a thermopile, these results were obtained for a thick of oil of 6 cm.

CAPES; CNPq; Fundação Araucária / No presente trabalho foram estudadas as respostas de sensores óticos baseados em rede de período longo em cascata (CLPG) na avaliação de biocombustíveis (biodiesel de soja e etanol) em diferentes situações de não conformidade, simulando casos de possíveis adulterações ou ainda falhas no processo de fabricação. Para tanto, os dispositivos serviram como transdutores de índice de refração das substâncias analisadas. Em uma das aplicações dos sensores foram avaliadas misturas entre biodiesel de soja e óleo de soja comercial, sendo observado o desempenho do sensor ótico ao longo de toda a faixa de concentração de óleo em biodiesel (0 – 100%) e, as características metrológicas foram calculadas para três faixas de operação do sistema, abrangendo diferentes faixas de concentrações. Para as faixas 1 a 3, a sensibilidade variou de 0,06 – 0,30 nm / % v/v e a resolução de 0,17 a 0,03 % / v/v. Com o intuito de comparar resultados, as mesmas amostras de biodiesel-óleo foram avaliadas com técnicas de ultrassom, obtendo para esse, sensibilidade de 0,70 m/s / % v/v e resolução de 0,4 %. Outra situação estudada foi com relação às misturas entre biodiesel de soja e metanol e a resposta do sensor ótico apresentou resolução de 0,007 – 0,001 % / v/v. Por meio dessas respostas pôde-se desenvolver um método analítico no qual se utiliza o sensor ótico para a determinação de constituintes em misturas ternárias (biodiesel-óleo-metanol), desde que associando à operação do sensor a variação de temperatura das amostras. Em outra parte do trabalho, o sensor ótico também foi empregado na avaliação de etanol. A resposta do sensor para misturas etanol-metanol apresentou resolução de 0,19 % / v/v, enquanto que, a avaliação dessas mesmas substâncias utilizando o ultrassom, apresentou resolução de 0,26 % / v/v. Outra situação analisada com o sensor ótico, para a análise da conformidade do etanol combustível, foram amostras apresentando misturas ternárias (etanol-metanol-água) em que se fez necessária a avaliação dessas misturas por meio de um refratômetro de Abbe e medidas de densidade. Os resultados encontrados apresentaram-se promissores ao relacionar os dados refratométricos em relação às densidades obtidas para cada amostra, uma vez que, apenas um desses parâmetros não seria capaz de identificar a conformidade do produto. Foi possível então determinar, dentre todos os resultados, uma região de conformidade para o etanol combustível. / In the present work were studied the responses of the optical sensors based on cascaded long period gratings (CLPG) to evaluate biofuels (soy biodiesel and ethanol) in different situations of non-compliance, simulating cases of possible tampering or failures in the process of manufacturing. To this end, the devices served as refractive index transducers of the analyzed substances. One of the applications of the sensors were evaluate mixtures of soybean biodiesel and commercial soybean oil, observing the performance of the optical sensor over the whole range of biodiesel oil concentration (0 - 100%) and the metrological characteristics were calculated for three system operating ranges covering different concentration ranges. In lanes 1 through 3, the sensitivity ranged from 0.06 to 0.30 nm /% v / v and the resolution from 0.17 to 0.03% / v / v. In order to compare the results, the same samples of biodiesel oil, were assessed by ultrasound techniques for obtaining this, a sensitivity of 0.70 m / sec / v / v% and resolution of 0.4%. Another situation studied envolved mixtures of soybean biodiesel and methanol and the response of the optical sensor showed resolution from 0.007 to 0.001% / v / v. Through these responses could be developed an analytical method which uses the optical sensor for the determination of constituents of ternary mixtures (biodiesel - soybean oil - methanol) associating to the sensor the right temperature of the samples. Another part of the work, the optical sensor was used in the evaluation of ethanol. The sensor response for ethanol-methanol mixtures showed resolution of 0.19% / v / v, while the evaluation of those substances using ultrasound, showed resolution of 0.26% / v / v. Another situation observed using the optical sensor was the analysis of ethanol fuel with samples having ternary mixtures (ethanol-methanol-water) in which the evaluation of these mixtures by means of a refractometer Abbe and density measurements made necessary. The results presented in these analyses are promising when related the refractometric to densities datas obtained for each sample, since only one of these parameters would not be able to identify the product conformity. It was then possible to determine, among all results, a compliance region for ethanol fuel.