Development of bench tests system to overcome current limitations in electronic noses

The continuous search for a fast, cheap and non-invasive diagnostic tool, which needs to replace the not too practical chemical analysis of human samples for the early identification of specific diseases, lead to the development of the electronic nose. Electronic nose is a promising medical device which is made of sensors arrays, whose a-specific responses with respect to the exposed volatile chemicals compounds are acquired in a dataset for subsequent analysis with machine learning algorithms. The result is the discrimination between healthy and specific-diseased “olfactory fingerprints” which are previously “smelled” by the electronic nose. Nowadays, the potential of such technology for clinical practice is still unexpressed, due to remaining challenges about biological, methodological, technological and analytical problems. The main limitations are brought by sensors sensitivity to notstationary environmental factors, such as temperature and humidity, and sensors drift over their lifespan, that causes unstable and not-reproducible responses under same conditions. The aim of the thesis is to develop a testing system for the control of temperature, relative humidity, flow rate and concentration of testing substances, which will be delivered in gaseous phase inside the sensors chamber of an electronic nose. A set of experiments are conducted combining, for each parameter, various user setpoints, that are selected from the ranges of 2-8L/min for flow rate, 15-35%RH for relative humidity, 35-45°C for temperature and 25-45ppm for concentration. The mixing strategy of wet and dry airflows, in exact proportions, allows the fast achievement of assigned flow rate and relative humidity inside their tolerance ranges. The silicone rubber heater makes the airflow reach a certain temperature slowly as the intrinsic variation of such parameter in sensor’s measurements. The syringe pump delivers the substance drop, which has to be vaporized in contact with the airflow, in the exact amount, needed to reach the predetermined concentration. Meaningful results are obtained testing 4-heptanone, which enhances the usage of this strategy for future developments. The second aim of the thesis focus on the realization of a drying system to study the water-selective permeability of plastic bags material. Human fluids, contained in sampling plastic bag, are presented in fully saturated condition, which need to undergo dilution and drying steps before entering the electronic nose. The optimal material, that releases water content when an osmotic phenomenon takes place across the thickness of the bag, is the biocompostable, but more promising investigations are required for its actual usage.

La continua ricerca di uno strumento diagnostico veloce, economico e non invasivo, che sostituisca l’analisi chimica di campioni umani per l'identificazione precoce di specifiche malattie, ha portato allo sviluppo di un dispositivo medico promettente: il naso elettronico. Il naso elettronico è costituito da una matrice di sensori, le cui risposte aspecifiche alla presenza di composti chimici volatili vengono acquisite all’interno di un database per la successiva analisi con gli algoritmi di machine learning. Il risultato è la discriminazione tra "impronte olfattive" sane e quelle specifiche di una malattia, che sono state precedentemente "odorate" dal naso elettronico. Attualmente, il potenziale di questa tecnologia è ancora inespresso nell’ambito clinico a causa di problemi di natura biologica, metodologica, tecnologica e analitica. Le principali limitazioni sono dovute alla sensibilità dei sensori a fattori ambientali non stazionari, quali la temperatura e l'umidità, ma anche alla deviazione del loro segnale durante l’impiego, causando risposte instabili e non riproducibili alle stesse condizioni. Lo scopo della tesi è quello di sviluppare un sistema per il controllo dei parametri di un flusso d’aria, come temperatura, umidità relativa, portata e concentrazioni di alcune sostanze, il quale è destinato ad essere erogato all'interno della camera dei sensori di un naso elettronico. Sono stati condotti una serie di esperimenti scegliendo un valore per ciascun parametro all’interno dei limiti assegnati: per la portata tra 2-8L/min, per l'umidità relativa tra 15-35%RH, per la temperatura tra 35-45°C e per la concentrazione tra 25-45ppm. La miscelazione di flussi d'aria umidi e secchi nelle giuste proporzioni è stata una ottima strategia per il rapido ottenimento dei valori desiderati di portata e umidità relativa, all'interno dei rispettivi intervalli di tolleranza. Il riscaldatore in silicone ha fatto in modo che il flusso d'aria raggiungesse una certa temperatura con la stessa lentezza che è intrinseca nella natura di tale parametro quando viene misurato dal relativo sensore. La pompa a siringa ha erogato la goccia di sostanza da far vaporizzare a contatto con il flusso d'aria nella quantità necessaria a raggiungere la predeterminata concentrazione. Sono stati ottenuti risultati significativi testando il 4-eptanone, rafforzando l'ipotesi di utilizzo di questa strategia per gli sviluppi futuri. Il secondo obiettivo della tesi si è concentrato sulla realizzazione di un sistema di essiccazione per studiare la permeabilità selettiva all'acqua di diversi materiali, che vengono impiegati per produrre i sacchetti di plastica atti a contenere i campioni umani. La fase vapore dei fluidi corporei si trova in completa saturazione quando essi vengono campionati all’interno di tali sacchetti. Di conseguenza, i campioni devono essere sottoposti alle fasi di diluizione ed essicazione prima di poter entrare nel nasoiv | Abstract in italiano elettronico. Il materiale ottimale, che rilascia vapore acqueo quando viene azionato un fenomeno osmotico attraverso lo spessore del sacchetto, è il biocompostabile, ma ulteriori promettenti indagini sono rese necessarie per la sua effettiva implementazione nel campionamento dei fluidi corporei.