Evaluation of metal oxide sensors performances in low-frequency range dielectric excitation mode

Early-stage diagnosis is crucial for patient outcomes and for ensuring cost-effective healthcare. Conventional diagnostic methods are invasive, time-consuming, and expensive. Breath gas analysis offers a non-invasive option by detecting volatile compounds in exhaled breath, potentially enabling early detection of diseases like cancer and diabetes. However, traditional breath gas analysis methods are costly and demand skilled personnel. Electronic nose technology provides an affordable alternative for point-of-care screening, but its clinical implementation faces obstacles, primarily due to limitations in low-cost chemical sensors. Metal Oxide (MOX) gas sensors struggle with low selectivity, cross-correlation with environmental factors, and long-term drift, hindering commercial use. To address this, Potyrailo et al. introduced a novel operating technique in 2020 called dielectric excitation, based on reactance measurement at an optimal frequency. This method offers several advantages over standard resistance operation mode, including linear response, wide dynamic range, high baseline stability, and reduced sensitivity to temperature and humidity variations. The primary objective of this study is to compare the two operation modes concerning response linearity and calibration model prediction error. To achieve this goal, a test bench for MOX sensor calibration was developed, incorporating an impedance and resistance measurement data acquisition system. This system was thoroughly evaluated and integrated with a dynamic gas standard generator to calibrate three arrays of commercial MOX sensors with different volatile compounds. A methodology allowing MOX sensors to run in dielectric excitation mode at the desired optimal frequency is proposed and experimentally validated. It enables the translation of the optimal operation frequency within the chosen frequency range of the data acquisition board for all sensors. Dielectric excitation mode outperform standard resistive operation mode, both when building power-law models and when applying a log-log transformation to linearize the response, in terms of linearity of the response and calibration model predictive error for all tested sensors.

La diagnosi precoce è cruciale per migliorare la prognosi e ridurre l’impatto economico sui servizi sanitari. I metodi diagnostici tradizionali sono invasivi, costosi e laboriosi. L’analisi dell’esalato offre un’alternativa non invasiva, identificando potenzialmente composti volatili nell’alito per diagnosticare precocemente malattie come cancro e diabete. Tuttavia, queste metodologie richiedono costi elevati e personale specializzato. Il naso elettronico è un’opzione economica per lo screening, ma l’implementazione clinica è ostacolata dai limiti dei sensori chimici a basso costo. I sensori di gas a ossido di metallo presentano problemi di selettività, correlazione con fattori ambientali e drift a lungo termine, limitandone l’uso commerciale. Nel 2020, Potyrailo et al. hanno introdotto la modalità operativa chiamata eccitazione dielettrica, basata sulla misurazione della reattanza a frequenze ottimali. Questo approccio offre vantaggi rispetto alla modalità operativa standard basata sulla misura della resistenza, inclusa una risposta lineare, un ampio intervallo dinamico, elevata stabilità della baseline e minore sensibilità alle variazioni di temperatura e umidità. L’obiettivo principale di questo studio è confrontare le due modalità operative per quanto riguarda la linearità della risposta e l’errore di previsione del modello di calibrazione. Per raggiungere questo obiettivo, è stato sviluppato un banco di prova per la calibrazione dei sensori MOX, incorporando un sistema di acquisizione dati per la misurazione di impedenza e resistenza. Questo sistema è stato valutato attentamente e integrato con un generatore di gas dinamico per calibrare tre serie di sensori MOX commerciali con diversi composti volatili. Una metodologia che consente ai sensori MOX di funzionare in eccitazione dielettrica alla frequenza ottimale desiderata è stata proposta e sperimentalmente convalidata. Ciò permette di traslare la frequenza operativa ottimale per tutti i sensori all’interno dell’intervallo di frequenze campionate dalla scheda di acquisizione dati. L’eccitazione dielettrica supera la modalità operativa resistiva standard, sia nella costruzione di modelli basati sulla legge di potenza, sia nell’applicazione di una trasformazione log-log per linearizzare la risposta, in termini di linearità della risposta ed errore predittivo del modello di calibrazione per tutti i sensori testati.