Study of a methodology to estimate the carbon content in soil samples by laser induced breakdown spectroscopy (LIBS)

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