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Mémoire de Maîtrise
DOI
https://doi.org/10.11606/D.75.2022.tde-14042022-170749
Document
Auteur
Nom complet
Jéssica Rodrigues de Paula Albuquerque
Unité de l'USP
Domain de Connaissance
Date de Soutenance
Editeur
São Carlos, 2022
Directeur
Jury
Carrilho, Emanuel (Président)
Coltro, Wendell Karlos Tomazelli
Paixão, Thiago Regis Longo Cesar da
Titre en portugais
Plataforma microfluídica baseada em papel para análise de nutrientes essenciais para plantas visando agricultura de precisão
Mots-clés en portugais
agricultura de precisão
colorimetria
macronutrientes
microfluídica
solo
Resumé en portugais
A Organização das Nações Unidas estima que até os anos de 2030 haverá um crescimento populacional expressivo que exigirá um aumento de 70% na produção agrícola para atender à crescente demanda por alimentos. A expansão e intensificação agrícola tradicionais podem levar a escassez de recursos. Por isso, implementação de práticas agrícolas sustentáveis é fundamental para atingir a segurança alimentar e minimizar o impacto ambiental. A agricultura de precisão (AP) é uma ferramenta de gerenciamento de plantio que visa o uso mais eficiente de recursos naturais para otimizar a produção. A fertilidade do solo é um dos parâmetros monitorados pela AP para garantir o fornecimento adequado de nutrientes para as plantas. Desta forma, nesta dissertação, propõe-se uma plataforma microfluídica baseada em papel para determinação de nutrientes essenciais para as plantas por meio de métodos colorimétricos. O objetivo é desenvolver um dispositivo portátil que permita a análise simultânea dos macronutrientes nitrogênio, fósforo, potássio, cálcio e magnésio em campo, com o auxílio de um smartphone para a leitura e armazenamento de dados. Para a construção das curvas analíticas, foram avaliados os sinais analíticos decorrentes de reações colorimétricas de cada um dos nutrientes em diferentes espaços de cores. No caso do potássio, diversos parâmetros de diferentes espaços de cores indicaram uma possível linearidade com a concentração do analito. Porém, a falta de homogeneidade na distribuição dos reagentes na zona de detecção pode contribuir na imprecisão das medidas e, por isso, os métodos precisam ser melhor investigados. Para o fósforo, o método vanadomolibdato não foi suficiente para detectar as baixas concentrações do analito na solução do solo e método colorimétricos ou eletroquímicos mais sensíveis devem ser desenvolvidos. Para o nitrato, o método que resultou em melhor linearidade (R2 = 0,992), limite de detecção e quantificação (0,299 e 0,996 mmol L-1, respectivamente), precisão intermediária (8%) e repetibilidade (4%) foi o RGB. Para o cálcio, a escala de cinza o melhor método de quantificação, com linearidade, limite de detecção e quantificação, precisão intermediária e repetibilidade de 0,993; 0,595 mmol L-1; 1,98 mmol L-1; 3% e 4%, respectivamente. Para o magnésio, a tonalidade foi o parâmetro que melhor quantificou os níveis esperados do analito no solo, com linearidade, limite de detecção e quantificação, precisão intermediária e repetibilidade de 0,999; 0,144 mmol L-1; 0,481 mmol L -1; 0,2% e 1,0%, respectivamente. Por fim, para o amônio, a tonalidade também foi o melhor método, com linearidade, limite de detecção e quantificação, precisão intermediária e repetibilidade de 0,988; 0,170 mmol L -1; 0,481 mmol L-1; 0,8% e 0,4%, respectivamente.
Titre en anglais
Paper­based microfluidic platform for the analysis of essential plant nutrients for precision agriculture
Mots-clés en anglais
colorimetry
macronutrients
microfluidics
precision agriculture
soil
Resumé en anglais
The United Nations estimates that by year 2030 there will be significant population growth that will require a 70% increase in agricultural production to meet the growing demand for food. Traditional agricultural expansion and intensification can lead to resource scarcity. Therefore, implementing sustainable agricultural practices is essential to achieve food security and minimize environmental impact. Precision agriculture (PA) is a planting management tool aimed at the most efficient use of natural resources to optimize production. Soil fertility is one of the parameters monitored by the PA to ensure an adequate supply of nutrients for the plants. Thus, in this dissertation, a paper-based platform is proposed for the determination of essential macronutrients for plants through colorimetric methods. The objective is to develop a portable device that allows the simultaneous analysis of the macronutrients nitrogen, phosphorus, potassium, calcium, and magnesium at the field, with the aid of a smartphone for reading and storing data. For the construction of the analytical curves, the signal of each nutrient in different color spaces were evaluated. In the case of potassium, several parameters of different color spaces indicated possible linearity with the analyte concentration. However, the lack of homogeneity in the distribution of reagents in the detection zone can contribute to the imprecision of measurements, and, therefore, the methods need to be better investigated. For phosphorus, the vanadomolybdate method was not sufficient to detect low concentrations of the analyte in the soil solution and more sensitive colorimetric or electrochemical methods should be developed. For nitrate, the method RGB resulted in the best linearity (R2 = 0.992), detection and quantification limit (0.299 and 0.996 mmolL-1,respectively), intermediate precision (8%), and repeatability (4%). For calcium, the gray scale was the best quantification method, with linearity, limit of detection and quantification, intermediate precision, and repeatability of 0.993; 0.595 mmol L-1; 1.98 mmol L-1; 3% and 4%, respectively. For magnesium, the hue was the parameter that best quantified the expected levels of the analyte in the soil, with linearity, detection and quantification limit, intermediate precision, and repeatability of 0.999; 0.144 mmol L-1; 0.481 mol L-1; 0.2% and 1.0%, respectively. Finally, for ammonium, the hue was also the best quantification method, with linearity, detection and quantification limit, intermediate precision, and repeatability of 0.988; 0.170 mmol L-1L; 0.481 mmol L-1; 0.8% and 0.4%, respectively.
 
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Date de Publication
2022-04-18
 
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