Development and testing of novel sampling systems for biological fluids characterization by electronic noses

This thesis explores the diagnostic potential of biological fluids, with a specific emphasis on electronic nose analysis. In medical field, the electronic nose demonstrated to be able to recognize different odour fingerprints associated with several diseases by analyzing headspace obtained from samples of biological fluids. The electronic nose presents numerous advantages by reducing costs, analysis time, and enabling non-invasive sample collection for the patient. Despite its efficacy, the implementation of E-nose in this domain encounters significant challenges. Addressing challenges in E-nose applications involves mitigating the impact of variables such as temperature and humidity on sensor responses and preventing cross-contamination between samples. This requires the development of alternative sampling systems for appropriate preparation of biological fluids. In this thesis a novel dehydration system, based on the vapor permeability of various polymeric materials used as drying medium, was investigated. Tests led to the selection of polymeric-based materials able to reduce the amount of water molecules in the gaseous samples without losing retain volatile substances relevant to electronic nose analysis. The results identify the high-density polyethylene (HDPE) as the most suitable for this purpose, but further investigations are required before its effective use. Simultaneously, ensuring accuracy and reliability across identical devices over time is a key challenge, leading to the need for costly calibration transfer methods. To overcome this challenge, a synthetic prototypes of urine and feces were formulated, based on literature data, to serve as a standardized mixture for calibrating devices in this field.

Questa tesi esplora il potenziale diagnostico dei fluidi biologici, con un'enfasi specifica sull'analisi condotta con il naso elettronico. In campo medico, il naso elettronico ha dimostrato di essere in grado di riconoscere diverse impronte olfattive associate a varie malattie analizzando lo spazio di testa ottenuto da campioni di fluidi biologici. Il naso elettronico presenta numerosi vantaggi riducendo i costi, i tempi di analisi e consentendo la raccolta dei campioni non invasiva per il paziente. Nonostante la sua efficacia, l’implementazione del naso elettronico in questo settore incontra sfide significative. Affrontare le sfide nelle applicazioni del naso elettronico implica mitigare l’impatto di variabili come temperatura e umidità sulle risposte dei sensori e prevenire la contaminazione incrociata tra campioni. Ciò richiede lo sviluppo di sistemi di campionamento alternativi per una preparazione adeguata dei fluidi biologici. In questa tesi è stato studiato un nuovo sistema di disidratazione, basato sulla permeabilità al vapore di vari materiali polimerici utilizzati come mezzo di essiccazione. I test hanno condotto alla selezione di materiali a base polimerica in grado di ridurre la quantità di molecole d'acqua nei campioni gassosi senza perdere le sostanze volatili rilevanti per l'analisi del naso elettronico. I risultati identificano il polietilene ad alta densità (HDPE) come il più adatto a questo scopo, ma sono necessarie ulteriori indagini prima del suo effettivo utilizzo. Allo stesso tempo, garantire la precisione e l’affidabilità nel tempo su dispositivi identici è una sfida fondamentale, che porta alla necessità di costosi metodi di trasferimento della calibrazione. Per superare questa sfida, sono stati formulati prototipi sintetici di urina e feci, sulla base dei dati della letteratura, per servire come miscela standardizzata per la calibrazione dei dispositivi in questo campo.