Electronic noses for health and food applications: development of sensors, systems and algorithms

Electronic noses represent a promising solution in several fields of application, with many advantages with respect to other techniques for gas analysis. Different types of gas sensors can be employed inside an electronic nose, using a dedicated sampling system for headspace preparation, analog and digital electronics for signal acquisition and a pattern recognition system to process the sensors responses. This thesis discusses all of these aspects of the odor sensing chain. This work, in collaboration with the Dipartimento di Ingegneria Chimica, presents the development of an electronic nose adapted to a biomedical application within the DiagNose project, which aims to create a noninvasive diagnostic tool for prostate cancer detection from urine volatile organic compounds. For this application, a sampling system for urine headspace preparation and automated measurements is described and preliminarily tested. A food industry application is presented as well within the SOS-COOKS project, for which the electronic nose is used to detect the optimal baking time of bread products, obtaining a classification performance of 88%. For these applications, commercial and custom-made gas sensors have been considered, developing a low-noise acquisition circuit featuring amplitude modulation for noise reduction and a 16 bits ADC for signal digitization, obtaining a sub-0.015% resolution. The characterization of custommade gas sensors, manufactured at Politecnico di Milano is discussed as well, presenting their sensitivity to various calibrants and addressing critical aspects such as repeatability and aging.

I nasi elettronici rappresentano un soluzione promettente in diversi campi di applicazione, con numerosi vantaggi rispetto ad altre tecnologie di analisi dei gas. In un naso elettronico possono essere utilizzate diverse tipologie di sensori di gas, usando un sistema per la preparazione degli spazi di testa dei campioni da analizzare, un circuito elettronico analogico/digitale per l'acquisizione dei segnali e un algoritmo di classificazione per elaborare le risposte dei sensori. Questa tesi tratta tutti questi aspetti della catena per l'analisi degli odori. Il lavoro, svolto in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Chimica, presenta lo sviluppo di un naso elettronico per applicazioni biomediche con il progetto DiagNose, il cui scopo è lo sviluppo di uno strumento per la diagnosi precoce non invasiva del tumore alla prostata, utilizzando i composti organici volatili contenuti nell'urina. Per questo progetto è stato sviluppato un sistema di preparazione e analisi degli spazi di testa dei campioni di urina, con il quale sono stati effettuati dei test preliminari. Viene inoltre presentata anche un'applicazione in ambito alimentare, con il progetto SOS-COOKS, in cui il naso elettronico è utilizzato per rilevare il tempo di cottura ottimale di campioni di pane, con una performance di classificazione del 88%. Per queste applicazioni, sono stati considerati sia sensori commerciali sia sensori prodotti all'interno del Politecnico di Milano, sviluppando un circuito a basso rumore con modulazione di ampiezza per l'acquisizione dei segnali e utilizzando un ADC a 16 bit per la digitalizzazione, ottenendo una risoluzione inferiore al 0.015%. Viene inoltre presentata la caratterizzazione dei sensori prodotti internamente al Politecnico, presentando i test effettuati con diversi calibranti per valutarne la sensitività e le criticità riscontrate relativamente alla ripetibilità e all'invecchiamento.