La menace d’attaques terroristes reste omniprésente dans de nombreux lieux à forte fréquentation. Une technique capable de détecter les substances explosives est donc nécessaire pour traiter au mieux cette menace. Initié par le Ministère de la Défense et la Direction générale de l’Armement, le projet REI ExploLIBS a pour but d’étudier le potentiel de la spectroscopie de plasma induit par laser à détecter les résidus d’explosifs. Des études expérimentales et théoriques sont menées par Bertin Technologies en collaboration avec le laboratoire LP3 – UMR 6182. L’ablation de polymères sous différentes atmosphères a permis de caractériser l’évolution spatio-temporelle de l’émission des molécules CN et C2. Le rayon d’émission, la température et la décroissance de l’intensité sont reliés au processus de formation des molécules. L’analyse complémentaire par le calcul de la composition du plasma en équilibre thermodynamique local permet de mettre en évidence la présence de molécules en fortes concentrations dans le plasma difficiles à visualiser en spectroscopie optique. Ces études ont abouti au développement d’une sonde portable dédiée à la détection des explosifs. Le taux de détection est évalué à plus de 90% et le taux de faux positif inférieur à 5%. La limite actuelle de sensibilité est estimée à 55 µg.cm-2. / The threat of terrorist attacks remains omnipresent in many high traffic sites. A technique capable of detecting explosives is needed to best address this threat. Initiated by the Ministère de la Défense and the Direction Générale de l’Armement, the project REI ExploLIBS aims to explore the potential of laser-induced breakdown spectroscopy to detect explosive residue. Experimental and theoretical studies are carried out by Bertin Technologies in collaboration with the LP3 laboratory – UMR 6182. The ablation of polymers under different atmospheres permits to characterize the spatial and temporal evolution of the emission of the CN and the C2 molecules. The radius of emission, the temperature and the decrease of the intensity are related to the formation process of the molecules. The additional analysis by the calculation of the composition of the plasma in local thermodynamic equilibrium reveals the presence of molecules in high concentrations in the plasma that are difficult to visualise in optical spectroscopy. These studies led to the development of a portable sensor dedicated to the detection of explosives. The detection rate is estimated at over 90% and the false positive rate below 5%. The current sensitivity limit is estimated at 55 µg.cm-2.

Sur Mars, la datation par comptage de densité de cratères est actuellement la seule méthode utilisée pour dater les surfaces planétaires. Cependant, sur Mars, elle n’a pas encore été corrigé et complété par des datations absolues. Ce travail consiste à développer un prototype démontrant le potentiel d’une nouvelle approche expérimentale basée sur la méthode K-Ar pour dater les roches martiennes in situ. L’objectif à terme est de proposer une solution instrumentale de datation absolue pour un futur rover d’exploration.Un laser Nd :YAG quadruplé pour tirer à 266 nm ablate un échantillon basaltique mis sous vide secondaire. L’observation du plasma par « Laser Induced Breakdown Spectroscopy » apporte des informations sur la concentration en K et sur la nature chimique et minéralogique de la cible. Puisque l’ablation est faite par un laser UV et sous vide secondaire, l’ablation est reproductible par minéralogie. La reconnaissance stoechiométrique permet donc d’estimer la masse vaporisée. Après purification des gaz libérés, un spectromètre de masse quadripolaire détermine la quantité d’argon.L’ensemble de ces mesures pourvoit un âge avec une incertitude théorique de 13% dans les meilleures conditions.Les calibrations du dispositif expérimental ont apporté de nombreuses informations sur des effets sur les spectres LIBS provoqués par l’ablation sous vide secondaire. L’augmentation de la pression e tla variation de géométrie du cratère d’ablation ont des effets opposés sur les pics des éléments.Nous avons aussi démontré que l’instrument était capable de mesurer l’âge de la mésostase de roche basaltique et qu’il offre des perspectives intéressantes sur certaines phases minérales comme la biotite. / Crater counting is the only method used on Mars to give relative geochronological information but it never had been fitted and corrected by absolute geochronology. This work is about the development of a new prototype demonstrating the ability of a protocol using in situ K-Ar dating. The goal is to propose a solution of an absolute geochronology for the next explorations rovers. A quadrupled Nd:YAG laser at 266 nm ablates a basaltic sample under high vacuum. The light collection by a spectrometer (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) gives the rate of potassium and the chemical or the mineralogy of the target. Thanks to the specificities of the ablation in highvacuum and with a UV laser, the ablated mass has a good reproducibility per mineralogy. Thus, theLIBS identification gives an estimation of the ablated mass. After the purification of the released gas,a quadrupole mass spectrometer determines the quantity of argon. All these measures give an age with a theoretical uncertainty of 13% in the best conditions.The calibration of the experiment had given new information about the effects on LIBS spectrarelated to the ablation under high vacuum. The rise of the pressure and the variation of geometry of the pit have opposite effects on the elements peaks. We also demonstrated that the instrument was capable of measuring the age of the groundmass of basalt and has some interesting perspectives on some mineral phases such as biotite.

Os solos representam um importante componente no ciclo biogeoquímico do carbono, armazenado cerca de quatro vezes mais carbono que a biomassa vegetal e quase três vezes mais que a atmosfera. Além disso, a quantidade de carbono está diretamente ligada a capacidade de retenção de água, fertilidade entre outras propriedades. Assim, a quantificação de carbono do solo em condições de campo é um tema importante para estudos do ciclo de carbono relacionado às mudanças climáticas globais. Atualmente, espectroscopia de emissão óptica com plasma induzido por laser (LIBS) pode ser usada para análise elementar qualitativa sem tratamento prévio das amostras e os resultados são obtidos rapidamente. Novas tecnologias ópticas tornaram possível sistema LIBS portáteis e, agora, a grande expectativa é o desenvolvimento de métodos que possibilitam medições quantitativas com sistemas LIBS. LIBS é uma técnica espectroanalítica que emprega a microamostragem por ablação com laser e subseqüente excitação dos átomos presentes no microplasma induzido durante a ablação. Sendo assim, o presente projeto de pesquisa visou desenvolver uma metodologia para quantificar carbono em amostras intactas de solo e avaliar o desempenho de sistemas LIBS portáteis para análises em campo. Trinta e seis amostras de solo da região do Cerrado brasileiro (Argissolo Vermelho Distrófico Latossólico) foram utilizadas. Para avaliar o efeito de heterogeneidade, trabalhou-se com as amostras moídas criogenicamente e não moídas. Com o intuito de estudar uma melhor forma para estimar a quantidade de carbono no solo, quatro metodologias diferentes foram empregadas utilizando o sistema LIBS de bancada e apenas uma metodologia para o sistema LIBS portátil. Para ambos os sistemas LIBS foi necessário inicialmente fazer correções no sinal de fundo dos espectros obtidos. A linha de emissão do carbono em 193,03 nm foi utilizada, pois esta não apresenta interferência da linha de emissão do elemento ferro. A técnica de análise térmica (combustão seca) conhecida como TOC (Total Organic Carbon) foi utilizada como referência para calibrar os sistemas. Utilizando o sistema LIBS de bancada, foram criados modelos com base em regressão linear simples e crescimento exponencial para estimar a quantidade de carbono nas amostras. Para o sistema LIBS portátil foram utilizados modelos com base em regressão linear simples e regressão linear múltipla. A melhor metodologia empregada para o sistema LIBS de bancada foi utilizando a energia máxima do laser (50 mJ) e o maior acúmulo de tiros (10 tiros) e o modelo de regressão linear simples apresentou um melhor ajuste. Não houve diferença entre os dados obtidos com as amostras moídas e não moídas. Para o sistema LIBS portátil a análise de regressão linear múltipla apresentou um melhor resultado, selecionando a melhor variável para o modelo. Sendo assim, conclui-se que sistemas LIBS são ferramentas úteis para se realizar estimativas quantitativas, podendo ser usados para a construção de inventários de carbono no solo, que são importantes para áreas ambientais com o foco em seqüestro de carbono, mudanças climáticas globais, avaliação do manejo de solos e o efeito da aplicação de águas residuárias em solos. / Soils are an important component in the biogeochemical cycle of carbon, storing about four times more carbon that biomass plants and nearly three times more than the atmosphere. Moreover, the carbon content is directly related on the capacity of water retention, fertility, among others properties. Thus, soil carbon quantification in field conditions is an important challenge related to carbon cycle and global climate changes. Nowadays, Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) has beeb applied to qualitative elemental analyses without previous treatment of samples and the results are obtained quickly. New optical technologies made possible portable LIBS systems and now, the great expectation is the development of methods that make possible quantitative analysis with LIBS. LIBS is a technique that employs a sampling by laser ablation and subsequent excitation of atoms present in induced microplasma during the ablation. The goal of this research was the development of methodology to estimate carbon in soil samples and evaluate the performance of portable LIBS systems for analysis in the field. Thirty six soil samples of Brazilian Cerrado region (Argisoil) were used. To evaluate the effect of heterogeneity, it was used samples that were grounding in a cryogenic ground and samples if not grounded. In order to study a better way to estimate the carbon content in the soil, four different methodologies were employed using the bench LIBS system and only one methodology for the portable LIBS system. For both LIBS systems was needed to do corrections in the background of obtained spectra. The carbon line at 193.03 nm was used because it does not present an interference of iron. The technique of thermal analysis known as TOC (Total Organic Carbon) was used as reference to calibrate the systems. Using the bench LIBS system have been adjusted models based on simple linear regression and exponential growth to estimate the carbon content in the samples. For portable LIBS system were used models based on simple linear regression and multiple linear regression. The best methodology used to the bench LIBS system was using the maximum of laser energy (50 mJ) and the largest shots count (10 shots count) and simple linear regression model showed a better fit. There was no difference between the data obtained from the grounded and not grounded samples. For the portable LIBS system multiple linear regression showed a better result because was select the best variable. Thus, it appears that LIBS systems are useful tools to perform quantitative estimates and could be used to build inventories of carbon in the soil that are important to environmental areas with the focus on carbon sequestration, global climate change, assessment the management of soils and the effect of wastewater into the soil.

A capacidade do instrumento Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) foi investigada para a possibilidade de atuar como uma ferramenta de quantificação. Um instrumento de baixo custo fechado do dispositivo de acoplamento de cargas (CCD) foi utilizado a fim de quantificar (K), (Ca), (Mn), (Mg), e (Cu) presente em 26 amostras de fertilizantes constituídos de diferentes matrizes, alguns fosfato de organo-mineral e outros de material inorgânico (quantificação de elementos presentes em fertilizante organominerais nunca tinha acontecido). Duas técnicas de referências foram utilizadas para validar as habilidades de quantificação: Plasma Acoplado Indutivo-Espectroscopia de Emissão Ótica (ICP-OES) e Espectroscopia de Absorção Atômica (AAS). O melhor pico representando cada elemento foi encontrado para produzir a melhor correlação entre cada pixel CCD e a concentração de elementos obtidos a partir das técnicas de referência. O pico mais adequado de LIBS foi tratado com um procedimento de normalização, a fim de corrigir os efeitos de matriz e as pequenas flutuações no plasma. Após o pico produzido por LIBS ser normalizado, foi linearmente montado contra os dados das duas técnicas de referência e duas curvas de calibração para cada um dos elementos foram construídas. Quando o procedimento de normalização não foi aplicado, valores de R-quadrado diminuiu entre 0,1-0,2 em quase todos os elementos. No entanto, entre os resultados produzidos pelas duas curvas de calibração, após o procedimento de normalização ser aplicado, os valores de correlação R-quadrado variaram de 0,8-0,98, o que foi considerado adequado para os elementos de interesse. O LOD para LIBS também foi calculado e verificou-se que quando os valores estavam abaixo do limite de determinação, a validade de LIBS como uma ferramenta de quantificação diminuiu. Além disso, uma análise de erro de validação cruzada foi feita com LIBS-ICP e LIBS-AAS, o que originou valores de erro de 22% - 28% para alguns dos elementos, quando todas as amostras foram incluídas. Mas quando as amostras abaixo do LOD foram excluídas, aqueles valores de erro desceram significativamente, e resultou na gama de 7% - 20%. Uma análise de validação cruzada também foi feita para as concentrações dos elementos determinados pelas técnicas de referência e esses resultados produziram valores de erro variando de 9% - 23%. As semelhanças entre os valores de erro LIBS e os valores de erro das técnicas de referência, dá credibilidade para a capacidade de LIBS para atuar como uma ferramenta para a quantificação de elementos presentes em fertilizantes compostos de diferentes matrizes. / The ability of the instrument Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) was investigated for the possibility of acting as a quantification tool of analysis. A low-cost gated charged coupled device (CCD) was used in order to quantify (K), (Ca), (Mn), (Mg), and (Cu) present in 26 fertilizer samples made up of different matrixes, some of organic-mineral phosphate and others of inorganic material; evaluation of elements in organomineral fertilizers had never been done by LIBS. Two reference techniques were used in order to validate the quantification abilities: Inductive Coupled Plasma-Optical Emission Spectroscopy (ICP-OES) and Atomic Absorption Spectroscopy (AAS). The best peak representing each element was found by finding the best correlation between each CCD pixel and the element concentration obtained from the reference techniques. The most appropriate peak from LIBS was treated with a normalization procedure in order to correct for physical matrix effects and small plasma fluctuations. After the LIBS peak was normalized, it was linearly fitted against the data from the two reference techniques, thus two calibration curves for each element were built. When the normalization procedure was not applied, R-squared values decreased between 0.1 - 0.2 in almost all the elements. However, amongst the results of the two calibration curves after the normalization procedure was applied, R-squared correlation values ranged from 0.8-0.98, which were considered adequate for the elements of interest. The LOD for LIBS was also calculated and it was found that when values were below the LOD, the validity of LIBS as a quantification tool decreased. Moreover, a cross-validation error analysis was done with LIBS-ICP and LIBS-AAS, which yielded error values of 22% - 28% for some of the elements when all samples were included, but when samples below the LOD were excluded, those error values went down significantly, and resulted within the range of 7% - 20%. A cross-validation analysis was also done for the element concentrations determined by the reference techniques and those results yielded error values ranging from 9%- 23%. The similarities between the LIBS error values and the reference techniques error values, gives credibility to the ability of LIBS to act as a tool for quantifying elements in fertilizers composed of different matrixes.

A espectroscopia de emissão atômica de plasma induzido por laser (LIBS, do inglês Laser Induced Breakdown Spectroscopy) é uma técnica multi-elementar que tem ganhado destaque recentemente devido à sua facilidade de uso em diversas aplicações. Entretanto, o limite de detecção da técnica é alto para alguns elementos se comparada com outras técnicas (e.g. ICP). Assim, o objetivo deste trabalho é aperfeiçoar a sensibilidade de um sistema LIBS na configuração de pulso único, através da integração com a técnica de fluorescência induzida por laser (LIF). Isso é feito por meio da inserção de um laser com um comprimento de onda em uma transição ressonante do elemento cuja intensidade de emissão deseja-se ter elevada, visando a redução dos efeitos de matriz das amostras. Para este fim, foram desenvolvidos um laser de diodo contínuo de cavidade estendida e sua eletrônica de controle, almejando um sistema robusto, estável em frequência, com baixo ruído espectral e resistente a estresses mecânicos, elétricos e térmicos. Os mesmos foram integrados a um sistema LIBS para ser feita a comprovação da eficiência da técnica LIBS-LIF. / The laser-induced breakdown plasma spectroscopy (LIBS) is a multi-elemental technique that has been gainning prominence recently due to its easy usability in various applications. However, the limit of detection of this technique is high for some elements compared to other techniques (e.g. ICP). Thus, the objective of this work is to improve the sensitivity of LIBS on the single pulse configuration, through integration with the laser-induced fluorescence (LIF) technique. This is done adding a laser with a wavelength in a resonant transition of the element whose emission intensity needs to be improved, focusing on reducing the matrix effects of samples. To achieve this purpose, a continuous external cavity diode laser was developed and its control driver, aiming to create a robust system, stable in frequency, with low spectral noise and resistant to adverse mechanical, electrical and thermal stresses. Both were integrated with a LIBS system for the evaluation of the LIBS-LIF technique efficiency.

A espectrometria de emissão óptica com plasma induzido por laser (LIBS) tem se tornado uma técnica muito atrativa e bastante explorada nas análises químicas e tem ganhado destaque devido à disponibilidade de instrumentos portáteis, o qual possibilita a análise in situ. Por outro lado, a análise quantitativa tem sido considerada o \"calcanhar de Aquiles\" da técnica, face as suas dificuldades em executá-la, em especial devido à complexa interação laser-matriz. Nesse contexto, o uso de métodos de calibração apropriados é imperativo. Neste trabalho avaliou-se a possibilidade de empregar LIBS na identificação, discriminação e quantificação elementar em amostras de madeira, uma vez que essa matriz tem grande importância econômica e ambiental. O desenvolvimento de método envolveu a otimização dos parâmetros instrumentais (diâmetro de focalização de 50&#181;m, energia por pulso de 20 mJ, taxa de repetição de 10 Hz, tempo de atraso de 0,25&#181;s, padrão de análise percurso, 300 pulsos de laser, deslocamento da amostra de 0,15 mm/s e fluxo de argônio de 1,0 L/min), bem como a avaliação da influência da umidade, tamanho de partícula e homogeneidade nos resultados analíticos. Diversos métodos de calibração também foram estudados, entre eles, a calibração empregando diferentes CRMs que geraram resultados com erros relativos superiores a 30%. Calibração construída com madeira Pinus adicionada com concentrações crescentes de analito foi a que apresentou os melhores resultados (erros relativos< 20%). Outra abordagem envolveu a confecção de um branco analítico por meio da lavagem da madeira, seguida pela adição elementar o qual apresentou resultados com erros relativos de até 14%, mostrando-se bastante promissora. Apesar disso, aplicações em amostras in natura não é trivial devido à sua baixa homomogeneidade e especialmente devido ao fato de o analito naturalmente presente na amostra interagir de forma diferente ao analito artificialmente adicionado à matriz. A aplicação do LIBS na avaliação da distribuição elementar nos anéis de crescimento de árvores foi eficiente, assim como na discriminação e identificação de amostras de madeira que atingiu 100% de exatidão no índice de acerto quando aplicado KNN. / Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) has become a very attractive and well-exploited technique in chemical analysis and has gained prominence due to the availability of portable instruments, which enables in situ analysis. On the other hand, quantitative analysis has been considered the \"Achilles heel\" of this technique, especially due to the strong matrix interference caused by complex laser-matrix interaction. In this context, the use of appropriate calibration methods is imperative.In this work the possibility of using LIBS in the identification, discrimination, and elemental quantification in wood samples was evaluated, since this matrix has an economic and an environmental importance. The method development involved the optimization of the instrumental parameters (50 &#181;m of spot size, 20 mJ of energy by pulse, 10 Hz of pulse repetition rate, 0.25 &#181;s of delay time, raster, 300 laser pulses, sample velocity of 0.15 mm/s and argon flow of 1.0 L/min), as well as the influence of moisture, particle size and homogeneity onto the analytical results. Several calibration methods were also studied, among them, the calibration using different CRMs which was not a good purpose since relative errors higher than 30% on the results were found. The calibration made with Pinus wood spiked with increasing concentrations of analytes showed the best results (relative errors <20%) for wood analysis. Another approach involved the preparation of an analytical blank by washing wood samples with 0.1% HNO3, followed by spiking of increasing concentration of analytes. In this case, relative errors of up to 14% were found, suggesting it is a promising approach. Despite this, applications of these proposed methods in quantitative analysis of in natura wood samples are not trivial due to their low homomogeneity and especially due to the differences on interaction between laser and naturally occurring analyte and artificially spiked analyte. The application of LIBS in the evaluation of the elemental distribution in the tree growth rings was efficient, as well as in the discrimination and identification of wood samples since 100% accuracy were reached when KNN was applied.

In dieser Arbeit werden neue Konzepte der kalibrationsfreien Analytik mit laser-induzierter Plasmaspektroskopie (LIBS) und der Plasmadiagnostik an laser¬induzierten Plasmen entwickelt. Dafür wurden bereits bekannte Techniken auf ihre Schwachstellen und Beschränkungen untersucht und entsprechende Neuerungen vorgestellt, die entdeckten Mängel zu beseitigen. In Computersimulationen konnte die CF-LIBS-Technik (calibration free LIBS) auf synthetische Plasmen angewandt werden, deren Eigenschaften vollständig bekannt und gezielt verändert wurden. So konnte der Einfluss aller Plasmaeigenschaften auf das quantitative Analysenergebnis untersucht werden. Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass die vorhandene CF-LIBS-Technik nur semi-quantitative Ergebnisse liefern kann. Eine Verbesserung der CF-LIBS konnte mit der Verwendung räumlich aufgelöster Spektren erreicht werden, da hier die Heterogenität des Plasmas überwunden werden kann. Durch Kombination dieser Vorgehensweise mit einer Plasmasimulation konnten deutlich stabilere Werte für die Plasmatemperatur und die Dichte, beides wichtige Faktoren bei der kalibrationsfreien, quantitativen Analyse, erhalten werden. Die bisher verwendete Methode zur räumlich aufgelösten Plasmaspektroskopie, die Abel Inversion, ist auf zylindrisch symmetrische Plasmen beschränkt. Schon leichte Störungen in dieser Symmetrie können zu fehlerhaften Ergebnissen führen. Mit der in dieser Arbeit erfolgten Einführung der inversen Radon¬transformation als neue Technik der räumlich aufgelösten Plasmadiagnostik an laserinduzierten Plasmen, konnten erstmalig realitätsnahe Rekonstruktionen von Plasmen gestörter Symmetrie und intrinsischer Asymmetrie durchgeführt werden. Das eröffnet ein neues Feld in der Plasmadiagnostik und trägt zum besseren Verständnis laserinduzierter Plasmen bei. Dies ist der Grundstock für eine Weiterentwicklung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie hin zu einer absoluten analytischen Methode. / In this work, new concepts for the calibration free analysis by laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) and for plasma diagnostics on laser induced plasma have been developed. In the course of this, already known techniques were analyzed for weaknesses and limitations. New techniques, based these findings, were presented. Using computer simulations of perfectly defined and entirely modifiable plasmas, the well known CF-LIBS (calibration free LIBS) technique was evaluated. The influence of all plasma parameters on the analysis result was investigated. It was shown that this technique, in its current form, is capable to deliver semi quantitative results only. An improvement of CF-LIBS was achieved by the use of spatially resolved measurements, overcoming the plasma heterogeneity. Combination of this approach with plasma simulation to find the parameters temperature and density, both important factors in calibration free analytics, much more stable results could be obtained. However, the well known technique for spatially resolved plasma investigation, the Abel Inversion, is limited to cylindrically symmetric plasmas only. Even weak disturbances of such symmetry can lead to major errors in the results. Using the inverse Radon Transformation, which is being introduced to plasma diagnostics on laser induced plasma by the present work, the first close to reality reconstructions and investigations of plasma with disturbed symmetry and even intrinsic asymmetry were conducted. This opens a new field in plasma diagnostics and helps to a better understanding of laser induced plasmas in general. It forms the foundation of further development of laser induced breakdown spectroscopy to become an absolute method.

O uso do LIBS na agricultura tem crescido nos últimos anos, sendo usando na atualidade para avaliar composição elementar de solos e fertilizantes, detectar a presença de metais pesados em solos e água, monitorar a emissão de carbono para a atmosfera e predizer doenças em plantas ainda em suas primeiras fases de desenvolvimento. Esta técnica é considerada bastante promissora na agricultura devido a sua capacidade de detecção elementar rápida, com pouca ou nula necessidade de preparação da amostra e por não gerar resíduos químicos. Apesar disto, apresenta ainda grandes desafios, principalmente em amostras complexas como o solo, devido a efeitos de matriz, por exemplo. Neste cenário, a determinação das características do sistema LIBS mais adequado para a análise de solo é importante, pois isto permitirá a escolha adequada da configuração a ser usada para se obter resultados de maior acurácia. Assim, nesta tese são comparados dois sistemas experimentais LIBS com lasers de 532 nm (modelo Brilliant, da Quantel, monomodo) e 1064 nm (modelo ULTRA, da Quantel, multimodo), analisando a temperatura e densidade eletrônica do plasma através do método de Saha-Boltzmann, para em seguida verificar a condição de LTE. Para analisar qual sistema teve maior eficiência no processo de ablação se comparou as crateras formadas na amostra, por meio de MEV. A relação entre o sinal e o ruído também foi observada para picos de importantes nutrientes encontrados no solo: carbono (247,84 nm), ferro (244,45 nm), magnésio (280,27 nm) e potássio (766,48 nm). Para verificar o desempenho de ambos os sistemas na determinação quantitativa destes mesmos nutrientes, foram utilizados modelos multivariados através de PLS, como uma alternativa a calibração tradicional com o modelo univariado. Em relação ao sinal/ruído, o sistema de 1064 nm apresentou melhor resultado, a temperatura para ambos os sistemas foi semelhante e o sistema de 532 nm se mostrou mais eficiente no processo de ablação. Contudo, para a quantificação elementar, ambos os sistemas possibilitaram a construção de curvas de calibração lineares com R2 > 0, 85 utilizando PLS, enquanto que utilizando o modelo univariado a correlação foi menor a 0; 8 para todas as curvas de calibração. O RMSEP foi menor para o modelo obtido a partir do sistema de 532 nm para o ferro e carbono, enquanto que para o potássio e magnésio o sistema de 1064 nm apresentou menor RMSEP. Considerando as vantagens econômicas do laser de 1064 nm, este mostrou um excelente custo/benefício, em comparação ao laser de 532 nm, além de ser mais compacto. / The use of LIBS in agriculture has grown in recent years being currently used to evaluate the elementary composition of soils and fertilizers, to detect the presence of heavy metals in soils and water, to monitor the carbon emissions to the atmosphere and to predict diseases in plants, still in its early stages of development. This technique is considering to be very promising in agriculture because of its fast elemental detection capability, with minimum or no sample preparation and no chemical residues generation. Although, it presents great challenges, especially in complex samples such as soil, due to matrix effects, for example. In this scenario, determining the type of the most suitable LIBS system for the analysis for soil is important as this will allows the best choice of the configuration to be used obtaining more accurate results. Thus, in this thesis two experimental LIBS systems are compared with 532 nm (single mode from Quantel, Brilliant) and 1064 nm (multimode from Ultra, Quantel) lasers, analyzing the plasma temperature and electronic density through the Saha-Boltzmann method, and these will verify the lower bound of the LTE condition. In order to analyze which system had the highest efficiency in the ablation process, the craters formed in the sample were compared by MEV. The relationship between the signal and the noise was also observed for peaks of important nutrients found in the soil: carbon (247.84 nm), iron (244,45 nm), magnesium (280,27 nm) and potassium (766,48 nm)). To verify the performance of both systems to the quantitative determination of these same nutrients, the multivariate model PLS was used, as an alternative to traditional calibration with the univariate model. In relation to the signal/noise ratio, the 1064 nm laser had better results, the temperature for both systems was similar and the 532 nm laser shown more efficiency in the ablation process. However, for the elementary quantification, both systems allowed the construction of calibration linear curves with R2 > 0, 85 using PLS, whereas using a univariate model the correlation was lower than 0,8 for any of the calibration curves. The RMSEP was lower for the model obtained with the 532 nm system for iron and carbon, while for potassium and magnesium the 1064 nm laser showed RMSEP lower. Considering the economical advantages of the multimode 1064 nm laser, it shown an excellent cost benefit, in comparision of the single mode 532 nm, besides being more compact.

Neste trabalho foi desenvolvido uma metodologia para a determinação de metais (Cr, Cu, Fe, Mg, Mo, Pb), em óleos lubrificantes e estes quantificados pela técnica de espectrometria de emissão optica com plasma induzido por laser (LIBS). As amostras de óleo usadas foram coletadas em oficina de troca de óleo, variando-se a quilometragem, ano, marca do carro e a marca do óleo, com o preenchimento de formulários contendo as informações necessárias à pesquisa. A preparação de amostras foi realizada com o depósito ds mesmas em substrato de papel e sequente otimização dos parâmetros instrumentais. Para a calibração, foi utilizado o padrão de óleo S-21 multielementar da Conostan (SCP Science, Champlain, NY). Para a avaliação da exatidão do método desenvolvido foi utilizado o padrão de óleos lubrificantes (SRM 1084a) obtidos junto ao Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST, Gaithersburg, MD). O método proposto apresentou as seguintes vantagens quando comparado com métodos de análise tradicionais (espectrometria de absorção atômica ou espectrometria de emissão optica acoplado ao plasma indutivo com diluição da amostra): mais rápida, sem desgaste do equipamento (em função da não introdução de solvente), geração de resíduo praticamente nula e menor consumo de reagentes. O método desenvolvido foi aplicado em amostras reais e o tratamento de dados realizado por análise estatística (equação de Stuarges, teste não paramétrico de Kruskalwallis). / In this work was developed a methodology for the determination of metals (Cr, Cu, Fe, Mg, Mo, Pb) in lubricating oils and these were quantified by Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS). Used oil samples used were collected in shop oil change, varying the mileage year, car make and oil brand with forms containing the information necessary for research filling out. For the calibration, the standard of 500ppm oil of S-21 multielement Conostan (SCP Science, Champlain, NY) was used, which was diluted with blank oil to achieve concentrations from 12.5 to 500 ppm necessary for the construction of analytical curve. For evaluating the accuracy of the method developed, we analyzed the standard of lubricating oils (SRM 1084th) obtained from the National Institute of Standards and Technology (NIST, Gaithersburg, MD). The proposed method has the following advantages compared to traditional methods of analysis (AAS or ICPOES with sample dilution): faster, without wear of the equipment (due to the introduction of non-solvent), generating virtually no residue and lower consumption reagents. The developed method was applied to real samples and the total processing performed by statistical analysis.

A determinação de macro- (N, P, K, Ca, Mg e S) e micronutrientes (Fe, Cu, Mn, Zn, B, Mo, Cl e Ni) em folhas de plantas é recomendada para avaliar o estado nutricional das culturas de interesse econômico. A análise convencional envolve a decomposição ácida do material vegetal, geralmente assistida por radiação micro-ondas, seguida da determinação dos elementos por ICP OES. Nesta tese, duas técnicas multielementares foram avaliadas para acessar o status nutricional da cultura da soja rapidamente: a espectrometria de emissão óptica com plasma induzido por laser (LIBS) e a espectrometria de fluorescência de raios X dispersiva em energia (EXDRF). Mapas microquímicos foram construídos empregando-se um sistema LIBS constituído por um laser de Nd:YAG (1064 nm, 5 ns, 360 mJ, 10 Hz) e um espectrômetro com óptica Echelle e detector ICCD, e um equipamento de bancada de micro-fluorescência de raios X dispersiva em energia (µ-EDXRF Orbis PC, EDAX) com tubo de Rh (50 kV, 50 W) e SDD. As distribuições elementares de Mg, Ca, P, S e K foram avaliadas, a fim de orientar e definir uma estratégia de amostragem para análise foliar direta da soja. Os mapas indicaram que a micro-heterogeneidade intrínseca dos elementos avaliados na amostra é significativa e há variações da composição foliar, tanto entre plantas de um mesmo tratamento, quanto entre folíolos de uma mesma planta. Esses fatores foram considerados críticos na definição de uma estratégia de amostragem única que pudesse abarcar e contornar os possíveis efeitos causados por esses fatores. Assim, definiu-se amostrar a maior área possível, sem privilegiar qualquer região específica da folha. Uma prova de conceito foi realizada, empregando-se LIBS para diagnose foliar de soja. Como as folhas secas de soja apresentaram baixa resistência mecânica, 30 folhas frescas de soja foram analisadas por LIBS, sendo acumulados 25 pulsos de laser por linha no modo de varredura, 12 linhas por folíolo e 3 folíolos por planta. Os resultados obtidos foram promissores em termos de comprovar a viabilidade técnica e prática do emprego de LIBS para análise direta de folhas frescas de soja. Análises de folhas frescas de soja também foram realizadas empregando-se um espectrômetro portátil de fluorescência de raios X dispersiva em energia (Tracer III-SD, Bruker) equipado com tubo de Rh (4W, 50 kV, 4,5 mm de diâmetro de feixe de raios X) e SDD. O status nutricional de plantas cultivadas sob condições controladas, com fornecimento adequado de nutrientes (tratamento controle) e com deficiência induzida de fósforo foi avaliado. Boas correlações foram obtidas para P (r = 0,838) e Zn (r = 0,888), que permitem inferir que a EDXRF pode ser recomendada para a quantificação desses nutrientes no campo. Os sinais detectados de Ca, Cu, Fe, K, Mn, P, S, Si, Zn e Rh (espalhamento Compton) permitiram a classificação das amostras em grupos utilizando análise de componentes principais (PCA). Os gráficos de scores e loadings da PCA mostraram: i) a separação entre os dois grupos de amostras (controle e deficientes em P), e ii) quais elementos foram responsáveis por esta separação. Dessa forma, a PCA constitui uma alternativa à análise quantitativa e pode ser utilizada em conjunto com EDXRF para identificar e classificar as amostras de soja como saudáveis ou deficientes em P. Assim, a partir dos resultados obtidos nesta tese, pode-se concluir que ambas as técnicas, LIBS e EDXRF, têm potencial para avaliar o estado nutricional da soja em tempo real, in situ e com mínimo tratamento de amostras. No entanto, para alcançar resultados quantitativos, diferentes estratégias de amostragem e calibração devem ser avaliadas criteriosamente a fim de superar os desafios aqui apresentados e criar condições de contorno para os inconvenientes que as folhas de soja apresentam como, por exemplo, a distribuição não-homogênea dos elementos e a baixa resistência mecânica quando secas / The determination of macro- (N, P, K, Ca, Mg and S) and micronutrients (Fe, Cu, Mn, Zn, B, Mo, Cl and Ni) in plant leaves is recommended to evaluate the nutritional status of crops of economic interest. Traditional analysis involves microwave-assisted acidic digestion the plant material, followed by determination of the elements by ICP OES. In this thesis, two multielemental techniques were evaluated to access the nutritional status of the soybean crop quickly: laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) and energy dispersive X-ray fluorescence spectrometry (EXDRF). Microchemical maps were built using a LIBS system constituted by a Q-switched Nd:YAG laser (1064 nm, 5 ns, 360 mJ, 10 Hz) and a spectrometer with Echelle optics and ICCD detector, and a benchtop micro-energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer (?-EDXRF Orbis PC, EDAX) with Rh X-ray tube (50 kV, 50 W) and SDD. The elemental distributions of Mg, Ca, P, S and K were evaluated in order to guide and define a sampling strategy for direct analysis of soybean leaves. Maps indicated that intrinsic micro-heterogeneity of the elements evaluated in the sample is significant and there are variations in the leaf composition, between plants of the same treatment and between leaflets of the same plant. These factors were considered critical in defining a single sampling strategy that could encompass and circumvent the possible effects caused by them. Thus, it was decided to sample the largest possible area, without privileging any specific region of the leaf. A proof of concept was carried out using LIBS for foliar diagnosis of soybean. As the dry leaves of soybean presented low mechanical resistance, 30 fresh leaves of soybean were analyzed by LIBS, employing 25 laser pulses per line in the rastering mode, 12 lines per leaflet and 3 leaflets per plant. The obtained results were promising in order to prove technical and practical feasibility in using LIBS for direct analysis of fresh leaves of soybean. Analyzes of fresh leaves were also performed using a portable energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer (Tracer III-SD, Bruker) equipped with Rh X-ray tube (4W, 50 kV, 4.5 mm diameter of X-ray beam) and SDD. The nutritional status of plants grown under controlled conditions, with good supply of nutrients (control treatment) and with phosphorus-induced deficiency were evaluated. Good correlations were obtained for P (r = 0.838) and Zn (r = 0.888), which allow to infer that EDXRF can be recommended for the quantification of these nutrients in the field. The detected signals of Ca, Cu, Fe, K, Mn, P, S, Si, Zn and Rh (Compton scattering) allowed the classification of samples into groups using Principal Component Analysis (PCA). The PCA scores and loadings graphs showed: i) the separation into two sample groups (control and P deficient), and ii) which elements were responsible for this separation. So, PCA constitutes an alternative method to quantitative analysis and it can be used with EDXRF in order to identify and classify soybean samples as healthy or P deficient. Thus, from the results obtained in this thesis, it can be concluded that both techniques, LIBS and EDXRF, have the potential to evaluate the nutritional status of soybean in real time, in situ and with minimal sample treatment. However, in order to achieve quantitative results, different sampling and calibration strategies should be carefully evaluated aiming to overcome the challenges presented here and circumvent the drawbacks of soybean leaves, such as the nonhomogeneous distribution of the elements and the low mechanical resistance when leaves are dried