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Dissertação de Mestrado
Documento
Autor
Nome completo
Marco Aurélio de Menezes Franco
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2017
Orientador
Banca examinadora
Villas Boas, Paulino Ribeiro (Presidente)
Cabral, Jader de Souza
Samad, Ricardo Elgul
Título em português
Efeitos de matriz nas propriedades do plasma LIBS para quantificação de carbono
Palavras-chave em português
Efeitos de matriz
Espectroscopia de emissão ótica com plasma induzido a laser
LIBS
Potencial de ionização
Temperatura e densidade de elétrons
Resumo em português
Nos últimos 20 anos, a espectroscopia de emissão ótica com plasma induzido a laser (LIBS) tem se tornado uma das mais promissoras ferramentas em química analítica, cujas aplicações são destinadas às análises multi-elementares em amostras nos estados sólido, líquido e gasoso. Suas aplicações são as mais diversas, pois sua instrumentação é relativamente simples e pode ser portátil. Em especial, a LIBS apresenta grande potencial de uso na agricultura, com diversas publicações que exploram, principalmente, a concentração de carbono em solos. Entretanto, a construção de modelos gerais de calibração é uma das maiores dificuldades da técnica, pois ela está suscetível aos efeitos de matriz que adicionam comportamentos não-lineares às intensidades das emissões. Com intuito de compreender quais são as principais causas dessa dependência, este trabalho avaliou relações entre propriedades físicas do plasma LIBS e as inclinações das curvas de calibração para cinco emissões de carbono em amostras sintéticas de diferentes potenciais de ionização, sendo elas KCl e H3BO3 com 1% de CuSO4 e concentrações entre 0 e 10 % de carbono. Constatou-se que temperatura e densidade de elétrons dependem inversamente da concentração de carbono nas amostras, o que provavelmente está associado às taxas de ablação de material da amostra e recombinação no interior do plasma. Ademais, esses parâmetros em plasmas originados das amostras de KCl + CuSO4 são maiores do que para a matriz de H3BO3 + CuSO4, além de que apenas plasmas originados da primeira matriz satisfizeram o critério de McWhirter para C I, Cu I e Cu II em todas as concentrações de carbono, indicando que eles devem apresentar condições de equilíbrio termodiâmico local. O mesmo não foi obtido para o caso da matriz de H3BO3 + CuSO4, o que pode explicar suas elevadas incertezas nos valores da temperatura e densidade de elétrons. Verificou-se ainda que as inclinações das curvas de calibração para o carbono foram maiores para o caso da matriz com elementos majoritários de menor potencial de ionização e que isso está diretamente relacionado às propriedades intrínsecas dos plasmas originados, o que corrobora a hipótese deste trabalho. Além disso, cálculos de correlação entre a área do pico de carbono em 247,89 nm e cada ponto dos espectros LIBS mostraram que a emissão de Cu II em 224,72 nm linearizou as curvas de calibração, minimizando os efeitos de matriz. Por fim, este trabalho contribuiu tanto com avanços no conhecimento até então existente a respeito dos efeitos de matriz quanto com um eficiente conjunto de técnicas analíticas para espectros, cujo potencial de aplicação é enorme.
Título em inglês
Matrix effects in the LIBS plasma properties for carbon quantification
Palavras-chave em inglês
Ionization potential
Laser-induced breakdown spectroscopy
LIBS
Matrix effects
Temperature and electron density
Resumo em inglês
In the last 20 years, laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) has been one of the main tools in analytical chemistry, whose applications are destinated to multi-elementar analysis in solid, liquid or gaseous samples. Its use is diverse, since its instrumentation is relatively simple and can be portable. In particular, LIBS has a great potential for use in agriculture, with many publications that explore mainly the carbon concentration in soils. However, the construction of general calibration models is one of the greatest difficulties of the technique, since it is susceptible to matrix effects that add non-linear behaviors to the emission intensities. In order to understand the main causes of this dependence, this study evaluated the relationships between physical properties of the LIBS plasma and the slope of the calibration curves for carbon emissions in synthetic samples with different ionization potentials. Those samples were made of KCl and H3BO3 with 1% of CuSO4 and carbon concentrations ranging from 0 to 10%. It was found that the plasma temperature and electron density are inversely proportional to the carbon concentration in the samples, which is probably associated with rates of sample ablation and recombination within the plasma. In addition, these parameters in plasmas originating from the samples of KCl + CuSO4 are larger than those originating from the matrix of H3BO3 + CuSO4 at all carbon concentrations, indicating that the first matrix must be in local thermodynamics equilibrium. However, similar results were not found for the other matrix which may explain its high uncertainties in the values of temperature and electron density. It was verified that the slope of the carbon calibration curves were higher for the matrix with elements of low ionization potential than for the other matrix and that this is directly related to the intrinsic properties the plasmas originated, which corroborates the hypothesis of this study. Furthermore, the analysis of correlation between the carbon peak area at 247.89 nm and each point of the LIBS spectra have shown that the Cu II emission at 224.72 nm linearized the calibration curves, minimizing the matrix effects. Finally, this study contributed with advances in the knowledge about matrix effects and with an efficient set of analytical tools for spectra whose application potential is huge.
 
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Data de Publicação
2017-09-22
 
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