Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a validação de metodologias analíticas aplicadas à separação de fósseis moleculares e ao tratamento quimiométrico de parâmetros moleculares em amostras rochas sedimentares e óleo de bacias sedimentares brasileira. A pesquisa estruturou-se em três eixos: inovação em materiais, otimização de processos e análise estatística uni- e multivariada de dados. Inicialmente, propôs-se uma nova fase estacionária baseada em sílica quimicamente modificada com bases de brønsted-lowry para a extração em fase sólida (SPE) de biomarcadores ácidos. Complementarmente, empregou-se o Planejamento de Experimentos (DoE) para otimizar o fracionamento simultâneo em coluna líquida clássica (CLC) de hidrocarbonetos saturados, aromáticos e ácidos carboxílicos, identificando a modificação com KOH como a de maior eficiência entre as bases testadas. No âmbito da aplicação, investigou-se amostras de calha da Bacia do Parnaíba sob severa influência de fluidos de perfuração. Utilizou-se o Teste de Permutação para quantificar o impacto da contaminação, além de algoritmos de redução de dimensionalidade, como PCA e UMAP, para estudos de correlação óleo-rocha. Os resultados ratificam a eficácia das novas fases estacionárias na preservação de parâmetros geoquímicos. A aplicação das fases de sílica quimicamente modificadas em ambos os métodos (SPE e CLC) alcançou recuperação superior a 80%, demonstrando desempenho analítico superior às fases comerciais disponíveis. Os resultados da aplicação do Teste de Permutação permitiram identificar parâmetros moleculares estatisticamente mais sensíveis à contaminação e estimar o grau de interferência em nível de grupo de amostras. Os resultados de análise estatística multivariada mostraram que, embora a contaminação severa imponha limites a correlações genéticas robustas, a abordagem quimiométrica proposta viabiliza a distinção precisa de paleoambientes deposicionais, conferindo maior confiabilidade à exploração geoquímica em cenários complexos.