Methods for humidity reduction in biological fluids headspace to enhance VOC Detection with electronic noses

In this thesis a novel dehydration system, based on the vapor permeability of various polymeric materials used as drying medium, was investigated to reduce humidity in bi- ological fluid headspaces to enhance Volatile Organic Compound (VOC) detection using electronic noses (e-noses). The presence of humidity in biological fluids, such as urine, in- terferes with VOCs detection, reducing the sensitivity of metal oxide (MOX) gas sensors. The primary goal of this study is to develop a faster and disposable sample preparation method for humidity reduction, addressing the limitations of current Nafion™ membrane dryers, which are prone to cross-contamination. Various polymeric materials, including high-density polyethylene (HDPE), low-density polyethylene (LDPE), biodegradable film (BIO), and Nalophan™, were evaluated against Nafion™ membrane. The study consists of three phases according to the different aims of the study. In the first phase, the effect of different dry air flowrates (1, 5, 10 L/min) on dehydration time was assessed. The second phase focuses on developing a diffusion and adsorption model to describe water vapor loss and assess VOC retention during dehydration. In the final phase, the optimized method is integrated with an e-nose to evaluate its impact on urine VOC detection, particularly for class discrimination between pure and calibrant-added urine samples. Data processing techniques included baseline normalization, feature extraction, feature selection using re- cursive feature elimination (RFE), and KNN and SVM classification models. The results indicate that the optimal dry air flush rate is 1 L/min for all the materials, which reduced the dehydration time by half compared to static conditions. Among the tested materials, BIO appeared as the most promising material due to its optimal balance of dehydration time (∼ 11 min), high water diffusion capacity, good repeatability, and minimal VOC loss (81% of classification accuracy). These findings confirm that BIO effectively pre- serves VOC integrity while offering a cost-effective and disposable alternative to Nafion materials, supporting its suitability for biomedical applications.

In questa tesi è stato studiato un nuovo sistema di disidratazione basato sulla permeabil- ità al vapore di vari materiali polimerici utilizzati come mezzo di essiccazione, al fine di ridurre l’umidità negli spazi di testa dei fluidi biologici e migliorare il rilevamento dei Com- posti Organici Volatili (VOC) mediante nasi elettronici (e-nose). La presenza di umid- ità nei fluidi biologici, come l’urina, interferisce con il rilevamento dei VOC, riducendo la sensibilità dei sensori a ossidi metallici (MOX). L’obiettivo principale di questo stu- dio è sviluppare un metodo di preparazione del campione più rapido e monouso per la riduzione dell’umidità, affrontando le limitazioni degli attuali essiccatori a membrana Nafion™, che sono soggetti a contaminazione incrociata. Sono stati valutati diversi ma- teriali polimerici, tra cui polietilene ad alta densità (HDPE), polietilene a bassa densità (LDPE), film biodegradabile (BIO) e Nalophan™. Lo studio è stato suddiviso in tre fasi, in base ai diversi obiettivi. Nella prima fase, è stato valutato l’effetto di differenti portate di flusso d’aria secca (1, 5, 10 L/min) sul tempo di disidratazione. La seconda fase si con- centra sullo sviluppo di un modello di diffusione e adsorbimento per descrivere la perdita di vapore acqueo e valutare la ritenzione dei VOC durante la disidratazione. Nella fase finale, il metodo ottimizzato è stato integrato con un e-nose per valutarne l’impatto sul rilevamento dei VOC urinari, in particolare per la discriminazione tra campioni di urina pura e additiva. Le tecniche di elaborazione dati hanno incluso la normalizzazione della baseline, l’estrazione delle feature, la selezione delle feature mediante eliminazione ricor- siva (RFE) e modelli di classificazione KNN e SVM. I risultati indicano che la portata ottimale di flusso d’aria secca è di 1 L/min per tutti i materiali, riducendo il tempo di disidratazione della metà rispetto alle condizioni statiche. Tra i materiali testati, BIO si è rivelato il più promettente grazie al suo equilibrio ottimale tra tempo di disidratazione (∼ 11 min), elevata capacità di diffusione dell’acqua, buona ripetibilità e minima perdita di VOC (81% di accuratezza di classificazione). Questi risultati confermano che BIO preserva efficacemente l’integrità dei VOC, offrendo un’alternativa economica e monouso ai materiali Nafion, supportandone l’idoneità per applicazioni biomediche.