Sampling and sensing strategies for novel applications with and artificial olfactory system

Everyday, everyone of us uses the five senses, very often without consciousness at all of using them, but simply exploiting the results. The results consist in an interpretation of the real world around us. Olfaction is probably one of the senses humans have lost potentiality to exploit during evolution, but odour is a very important source of data, because of the power of synthesis of a lot of interactions and parameters we are not able to collect, read and elaborate at the same time. An existing technology, the Electronic Nose of the Sensors and Microsystems Group of the University of Rome ‘Tor Vergata’, is the objective of this Thesis. The aim is to ask fundamental questions about it, and by studying the possible solutions, reach the whole system improvement. The great potentialities of artificial olfactory systems can be exploited in many fields. This multidisciplinary range of applications asks for designing of dedicated sampling systems depending on the different scope. Although the working principle and the sensitive material are the basis on which these devices are developed, the sampling, within the measure chain, is a fundamental step to optimize the whole system performances. According to these considerations the best way for designing “ad hoc“ experimental set is to specialize a specific sampling procedure for each application. In this thesis three different studies are considered: medical and environmental applications, and odour sampling in static conditions. In particular, the experience of the six years of experiments dedicated to lung cancer study by mean of e-nose breath analysis is illustrated.

L’utilizzo dei cinque sensi, di cui ognuno di noi è normalmente dotato, ci permette quotidianamente di percepire ed interpretare il mondo che ci circonda, molto spesso senza aver coscienza di farne uso, ma semplicemente sfruttando i risultati che ne otteniamo per l’interazione con l’ambiente circostante. L’olfatto è probabilmente uno dei sensi del quale l’essere umano, nella sua evoluzione, ha perso maggiormente la capacità di sfruttare al massimo le potenzialità. Tuttavia l’odore rappresenta una importante sorgente di informazioni, grazie alla capacità di sintesi di una serie di parametri e di interazioni che noi non siamo in grado di raccogliere, interpretare ed elaborare contemporaneamente. L’oggetto di questa tesi è il naso elettronico realizzato presso i laboratori del Gruppo Sensori e Microsistemi dell’Università degli Studi di Roma ‘Tor Vergata’. L’obiettivo del lavoro è quello di individuare le problematiche fondamentali relative all’utilizzo di questa tecnologia e, tramite lo studio delle possibili soluzioni, raggiungere un generale perfezionamento dell’intero sistema. Sono svariati i campi nei quali le grandi potenzialità di un sistema olfattivo artificiale possono trovare utile applicazione. La caratteristica multidisciplinare di un così differenziato ventaglio di applicazioni, richiede la progettazione di una serie di sistemi di campionamento specifici per ogni scopo. Sebbene il cuore dell’intero sistema consista nei suoi principi di funzionamento e nel tipo di materiale sensibile utilizzato, il campionamento riveste una importanza fondamentale all’interno della catena di misura, perché attraverso la sua ottimizzazione si rende possibile un efficace utilizzo dello strumento nella pratica dei problemi reali relativi ai diversi campi. Proprio per questa ragione, il modo migliore di operare è quello di progettare dei protocolli sperimentali ‘ad hoc’ specifici per ogni applicazione. In questa tesi sono considerate tre differenti sperimentazioni: applicazioni in campo medico ed ambientale, e campionamento dell’odore in condizioni statiche. In particolare viene presentata l’esperienza di sei anni di sperimentazioni relative allo studio del tumore al polmone tramite l’analisi dell’espirato per mezzo del naso elettronico.