Os contaminantes presentes nas águas podem ser absorvidos por materiais em suspensão e acumulados em sedimentos. O monitoramento de elementos potencialmente tóxicos (PTEs) e do fósforo (P) em sedimentos permite avaliar respectivamente o nível de contaminação e o grau de eutrofização de rios. As técnicas comumente utilizadas para a determinação elementar em sedimentos exigem o preparo das amostras gerando quantidades consideráveis de resíduos químicos e gasto de tempo. A espectrometria de emissão óptica com plasma induzido por laser (LIBS) é uma alternativa para contornar as desvantagens associadas ao preparo da amostra, entre outros. A baixa sensibilidade da LIBS com pulso único (SP) pode ser aumentada empregando a LIBS com pulso duplo (DP). Considerando a complexidade química dos sedimentos, a matéria orgânica (MO) é um dos parâmetros que deve ser avaliado. A fluorescência no modo matriz excitação-emissão (EEM) combinada com a análise de fatores paralelos (PARAFAC) pode ser empregada para acessar informações sobre a composição e origem da MO extraída. Enquanto a supressão de fluorescência permite compreender a capacidade da MO extraída em complexar ou liberar PTEs. O conteúdo de clorofila a (Chl-a) em sedimentos também reflete a eutrofização dos rios. Sua determinação é feita por meio de técnicas que exigem sua extração com solventes orgânicos. Assim, a avaliação direta da Chl-a nos sedimentos é ideal para avaliar o grau de eutrofização de rios. Algumas técnicas inovadoras baseadas em fluorescência, como a microscopia confocal de varredura a laser (CLSM) e a espectroscopia de fluorescência induzida por laser (LIFS) permitem a análise direta das amostras e se destacam como uma vantagem para os inconvenientes relacionados às extrações químicas. Frente ao exposto, este estudo relata o desenvolvimento de instrumentação e métodos utilizando a LIBS para quantificar P, Cr, Cu e Ni em sedimentos, o emprego da EEM e da supressão de fluorescência para avaliar as propriedades ópticas e a afinidade da MO extraída com o Cu (II), respectivamente, e o desenvolvimento de métodos utilizando CLSM e LIFS para medir Chl-a em sedimentos a fim de avaliar a contaminação de ecossistemas aquático. Os resultados mostraram que as técnicas SP e DP LIBS tem grande potencial para determinação de P em sedimentos, porém para determinação de Cr, Cu e Ni é necessário empregar DP LIBS devido à sua maior sensibilidade. De acordo com a EEM e a supressão de fluorescência, a MO extraída dos sedimentos com NaOH (EOMSed) do Rio Piracicaba é de origem autóctone e alóctone derivada da MO do solo e interage mais com Cu (II) do a EOMSed do Rio Tietê que é predominantemente antropogênica. A CLSM permitiu verificar que a Chl-a tem maior afinidade e é menor oxidada na fração mineral do sedimento. E a LIFS combinada com a primeira derivada dos espectros mostrou ser capaz de semiquantificar a Chl-a em sedimentos. A combinação dos métodos desenvolvidos baseados em técnicas fotônicas mostra ser eficiente para o monitoramento de ecossistemas aquáticos.

Contaminants present in water can be absorbed by suspended materials and accumulate in sediment. The monitoring of potentially toxic elements (PTEs) and phosphorus (P) in sediments allows evaluating the contamination level and the degree of eutrophication of rivers, respectively. The techniques commonly used for the elemental determination in sediments require samples preparation generating considerable amounts of chemical residues and waste of time. Laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) is an alternative to overcome the disadvantages associated with sample preparation. The low sensitivity of single pulse (SP) LIBS can be increased by employing double pulse (DP) LIBS. Considering the chemical complexity of the sediments, the organic matter (OM) is one of the parameters that must be evaluated. Fluorescence excitation-emission matrix (EEM) combined with parallel factor analysis (PARAFAC) can be used to access information about the composition and origin of the extracted OM. Fluorescence quenching allows to understand the ability of extracted OM to complex or release PTEs. The chlorophyll a (Chl-a) content in sediments also reflects the eutrophication of rivers and its determination is made through techniques that require its extraction with organic solvents. Thus, direct assessment of Chl-a in sediments is ideal to assess the degree of eutrophication of rivers. Some innovative fluorescence-based techniques such as confocal laser scanning microscopy (CLSM) and laser-induced fluorescence spectroscopy (LIFS) allow direct analysis of samples and stand out as an advantage for the inconveniences related to chemical extractions. Based on that, this study reports the instrumentation and method development using LIBS to quantify P, Cr, Cu and Ni in sediments, the use of EEMs and fluorescence quenching to assess the optical properties and affinity of the extracted OM with Cu (II), respectively, and the method development using CLSM and LIFS to measure Chl-a in sediments in order to assess the contamination of aquatic ecosystems. The results showed that the SP and DP LIBS techniques have great potential for determining P in sediments, but for the determination of Cr, Cu, and Ni it is necessary to use DP LIBS due to its greater sensitivity. According to EEMs and fluorescence quenching, the OM extracted from sediments with NaOH (EOMSed) from the Piracicaba River is of autochthonous and allochthonous origin, derived from the OM of the soil and interacts more with Cu (II) than the EOMSed from the Rio Tietê, which is predominantly anthropogenic. CLSM showed that Chl-a has greater affinity and is less oxidized in the mineral fraction of the sediment. And LIFS combined with the first derivative of the spectra was shown to be able to semi-quantify Chl-a in sediments. The combination of methods developed based on photonic techniques proved to be efficient for monitoring aquatic ecosystems.