As partículas finas (PM2.5) são um dos principais poluentes atmosféricos associados a problemas de saúde. Estas partículas penetram no sistema respiratório, carreando desde metais traços a substâncias orgânicas. Apesar disso, a legislação ambiental brasileira ainda não tem estabelecido padrões para este poluente. Entretanto, Agencia Ambiental dos Estados Unidos (US.EPA) já tem adotado limites para exposições de curto (25 (micro)g m-3/diário) e longo (15 (micro)g m-3/anual) prazo. Esta tese teve quatro principais objetivos: (1) investigar a relação das condições meteorológicas, sazonalidade e bacias aéreas sobre as concentrações de PM2.5 na atmosfera; (2) avaliar modelos de previsão de qualidade do ar inovadores para estimar concentração de PM2.5 em locais com diferentes fontes de emissão; (3) validar método de extração e determinação pseudototal de metais traços presentes no material particulado, com espectrômetro de emissão ótica por plasma indutivamente acoplado (ICP-OES) de acordo com critérios estabelecidos pelo INMETRO; (4) quantificar carbono orgânico e metais traços presentes no material particulado fino para entender melhor como a atmosfera do estado do Rio de Janeiro tem sido afetada, devido aos vários tipos de emissão e condições meteorológicas. Amostradores de grandes volumes coletaram todas as amostras de PM2.5. Estes amostradores foram operados por 24 h, a cada seis dias, em locais com diferentes fontes de emissão (industrial, veicular, poeira do solo, etc.), no estado do Rio de Janeiro. As amostras foram coletadas pelo Instituto Estadual do Ambiente (INEA), no período de janeiro/11 até dezembro/13. Variáveis meteorológicas próximas (d(menor que)2 km) aos pontos de monitoramento de PM2.5 também foram obtidas na mesma frequência e período de amostragem. Em relação a este estudo, quatro resultados podem ser destacados. O primeiro, as concentrações médias diárias de PM2.5 variaram de 1-65 (micro)g m-3, ultrapassando em alguns pontos os limites adotados pela US.EPA. Estes resultados mostraram que concentrações de PM2.5 no RJ não é influenciada, em expressão, pela sazonalidade. Além disso, foi observado que as bacias aéreas definidas no Rio de Janeiro não têm sido confirmadas, e os locais mostraram uma semelhança de comportamento em função da sua fonte de emissão. O segundo, a aplicação do modelo Holt-Winters para previsão de PM2.5 simulou melhor a zona industrial, com RMSE (raiz do erro quadrático médio) entre 5,8-14,9 (micro)g m-3. Em contrapartida, a rede neural artificial associada a variáveis meteorológicas estimou melhor os resultados das zonas urbanas e rurais, com RMSE entre 4,2-9,3 (micro)g m-3. O terceiro, o método de extração e determinação pseudototal de metais por ICP-OES atendeu aos critérios de validação estabelecidos pelo INMETRO. Além disso, mostrou-se ser equivalente ao método US.EPA IO-3.1. Finalmente, as concentrações de carbono orgânico solúvel em água variaram de 0,8-4,9 (micro)g m-3. Os principais metais determinados foram: Na (5,8-13,6 (micro)g m-3), Al (1,6-6,7 (micro)g m-3) e Zn (1,9-6,6 (micro)g m-3). Foi verificado também que os fenômenos meteorológicos de superfície aumentam em 30 por cento a explicação da variância do modelo receptor (PCA), quando adicionados aos dados das substâncias químicas analisadas do PM2.5. Contudo, é crucial a aplicação de ferramentas quimiométricas para ajudar na caracterização e estimava das concentrações de poluentes atmosféricos.