Signal and data processing for machine olfaction and chemical sensing: A review

Signal and data processing are essential elements in electronic noses as well as in most chemical sensing instruments. The multivariate responses obtained by chemical sensor arrays require signal and data processing to carry out the fundamental tasks of odor identification (classification), concentration estimation (regression), and grouping of similar odors (clustering). In the last decade, important advances have shown that proper processing can improve the robustness of the instruments against diverse perturbations, namely, environmental variables, background changes, drift, etc. This article reviews the advances made in recent years in signal and data processing for machine olfaction and chemical sensing

Characterization of odour emissions in a wastewater treatment plant using a drone-based chemical sensor system

Conventionally, odours emitted by different sources present in wastewater treatment plants (WWTPs) are measured by dynamic olfactometry, where a human panel sniffs and analyzes air bags collected from the plant. Although the method is considered the gold standard, the process is costly, slow, and infrequent, which does not allow operators to quickly identify and respond to problems. To better monitor and map WWTP odour emissions, here we propose a small rotary-wing drone equipped with a lightweight (1.3-kg) electronic nose. The "sniffing drone" sucks in air via a ten-meter (33-foot) tube and delivers it to a sensor chamber where it is analyzed in real-time by an array of 21 gas sensors. From the sensor signals, machine learning (ML) algorithms predict the odour concentration that a human panel using the EN13725 methodology would report. To calibrate and validate the predictive models, the drone also carries a remotely controlled sampling device (compliant with EN13725:2022) to collect sample air in bags for post-flight dynamic olfactometry. The feasibility of the proposed system is assessed in a WWTP in Spain through several measurement campaigns covering diverse operating regimes of the plant and meteorological conditions. We demonstrate that training the ML algorithms with dynamic (transient) sensor signals measured in flight conditions leads to better performance than the traditional approach of using steady-state signals measured in the lab via controlled exposures to odour bags. The comparison of the electronic nose predictions with dynamic olfactometry measurements indicates a negligible bias between the two measurement techniques and 95 % limits of agreement within a factor of four. This apparently large disagreement, partly caused by the high uncertainty of olfactometric measurements (typically a factor of two), is more than offset by the immediacy of the predictions and the practical advantages of using a drone-based system

Environmental engineering applications of electronic nose systems based on MOX gas sensors

Nowadays, the electronic nose (e-nose) has gained a huge amount of attention due to its ability to detect and differentiate mixtures of various gases and odors using a limited number of sensors. Its applications in the environmental fields include analysis of the parameters for environmental control, process control, and confirming the efficiency of the odor-control systems. The e-nose has been developed by mimicking the olfactory system of mammals. This paper investigates e-noses and their sensors for the detection of environmental contaminants. Among different types of gas chemical sensors, metal oxide semiconductor sensors (MOXs) can be used for the detection of volatile compounds in air at ppm and sub-ppm levels. In this regard, the advantages and disadvantages of MOX sensors and the solutions to solve the problems arising upon these sensors’ applications are addressed, and the research works in the field of environmental contamination monitoring are overviewed. These studies have revealed the suitability of e-noses for most of the reported applications, especially when the tools were specifically developed for that application, e.g., in the facilities of water and wastewater management systems. As a general rule, the literature review discusses the aspects related to various applications as well as the development of effective solutions. However, the main limitation in the expansion of the use of e-noses as an environmental monitoring tool is their complexity and lack of specific standards, which can be corrected through appropriate data processing methods applications

Electronic Noses for Biomedical Applications and Environmental Monitoring

This book, titled “Electronic Noses for Biomedical Applications and Environmental Monitoring”, includes original research works and reviews concerning the use of electronic nose technology in two of the more useful and interesting fields related to chemical compounds detection of gases. Authors have explained their latest research work, including different gas sensors and materials based on nanotechnology and novel applications of electronic noses for the detection of diverse diseases. Some reviews related to disease detection through breath analysis, odor monitoring systems standardization, and seawater quality monitoring are also included

Low-Cost Outdoor Air Quality Monitoring and Sensor Calibration: A Survey and Critical Analysis

arXiv:1912.06384 [eess.SP]The significance of air pollution and the problems associated with it are fueling deployments of air quality monitoring stations worldwide. The most common approach for air quality monitoring is to rely on environmental monitoring stations, which unfortunately are very expensive both to acquire and to maintain. Hence environmental monitoring stations are typically sparsely deployed, resulting in limited spatial resolution for measurements. Recently, low-cost air quality sensors have emerged as an alternative that can improve the granularity of monitoring. The use of low-cost air quality sensors, however, presents several challenges: they suffer from cross-sensitivities between different ambient pollutants; they can be affected by external factors, such as traffic, weather changes, and human behavior; and their accuracy degrades over time. Periodic re-calibration can improve the accuracy of low-cost sensors, particularly with machine-learning-based calibration, which has shown great promise due to its capability to calibrate sensors in-field. In this article, we survey the rapidly growing research landscape of low-cost sensor technologies for air quality monitoring and their calibration using machine learning techniques. We also identify open research challenges and present directions for future research.Peer reviewe

Improvement of ms based e-nose performances by incorporation of chromatographic retention time as a new data dimension

Mejora del rendimiento de la nariz electrónica basada en espectrometría de masas mediante la incorporación del tiempo de retención cromatografico como una nueva dimensión de datosLa importancia del sentido de olor en la naturaleza y en la sociedad humana queda latente con el gran interés que se muestra en el análisis del olor y el gusto en la industria alimentaria. Aunque las aéreas mas interesadas son las de la alimentación y bebida, también se ha mostrado la necesitad para esta tecnología en otros campos como en el de la cosmética. Lamentablemente, el uso de los paneles sensoriales humanos o paneles caninos son costosos, propensos al cansancio, subjetivos, poco fiables e inadecuados para cuantificar, mientras que el análisis de laboratorio, a pesar de la precisión, imparcialidad y capacidad cuantitativa, necesita una labor intensa, con personal especializado y requiere de mucho tiempo. Debido a estos inconvenientes el concepto de olfato artificial generó un gran interés en entornos industriales.El término "nariz electrónica" se asocia con una serie de sensores de gases químicos, con una amplia superposición de selectividad para las mediciones de compuestos volátiles en combinación con los instrumentos informáticos de análisis de datos. La nariz electrónica se utiliza para proporcionar una información comparativa en vez de una cualitativa en un análisis, y porque la interpretación puede ser automatizada, el dispositivo es adecuado para el control de calidad y análisis. A pesar de algunos logros prometedores, los sensores de estado sólido de gas no han cumplido con sus expectativas. La baja sensibilidad y selectividad, la corta vida del sensor, la calibración difícil y los problemas de deriva han demostrado serias limitaciones. En un esfuerzo para mejorar los inconvenientes de los sensores de estado sólido, se han adoptado nuevos enfoques, utilizando diferentes sensores para la nariz electrónica. Sistemas de sensores ópticos, la espectrometría de movilidad iónica y la espectrometría infrarroja son ejemplos de técnicas que han sido probadas.Las narices electrónicas basadas en la espectrometría de masas (MS) aparecieron por primera vez en 1998 [B. Dittmann, S. y G. Nitz Horner. Adv. Food Sci. 20 (1998), p. 115], y representan un salto importante en la sensibilidad, retando a la nariz electrónica basada en sensores químicos. Este nuevo enfoque del concepto de una nariz electrónica usa sensores virtuales en forma de proporciones m/z. Una huella digital compleja y muy reproducible se obtiene en forma de un espectro de masas, que se procesa mediante algoritmos de reconocimiento de patrones para la clasificación y cuantificación. A pesar de que la nariz electrónica basada en la espectrometría de masas supera a la nariz electrónica clásica de sensores de estado sólido en muchos aspectos, su uso se limita actualmente a la instrumentación de laboratorio de escritorio. La falta de portabilidad no representará necesariamente un problema en el futuro, dado que espectrómetros de masas en miniatura se han fabricado ya en una fase de prototipado.Un inconveniente más crítico de la nariz electrónica basada en MS consiste en la manera en la que se analizan las muestras. La fragmentación simultánea de mezclas complejas de isómeros pueden producir resultados muy similares a raíz de este enfoque. Una nariz electrónica mejor sería la que combina la sensibilidad y el poder de identificación del detector de masas con la capacidad de separación de la cromatografía de gases. El principal inconveniente de este enfoque es de nuevo el coste y la falta de portabilidad de los equipos. Además de los problemas anteriores con la espectrometría de masas, el análisis de cromatografía de gases requiere mucho tiempo de medida.Para abordar estas cuestiones, se han reportado miniaturizaciones en cromatografía capilar de gases (GC) que hacen posible el GC-en-un-chip, CG-rápido y CG-flash que hacen uso de columnas cortas, reduciendo el tiempo de análisis a los tiempos de elución como segundos y, en algunos casos, se han comercializado. La miniaturización de la espectrometría de masas y cromatografía de gases tiene un gran potencial para mejorar el rendimiento, la utilidad y la accesibilidad de la nueva generación de narices electrónicas.Esta tesis se dedica al estudio y a la evaluación del enfoque del GC-MS para la nariz electrónica como un paso anterior al desarrollo de las tecnologías mencionadas anteriormente. El objetivo principal de la tesis es de estudiar si el tiempo de retención de una separación de cromatografía puede mejorar el rendimiento de la nariz electrónica basada en MS, mostrando que la adición de una tercera dimensión trae más información, ayudando a la clasificación de las pruebas. Esto se puede hacer de dos maneras: · comparando el análisis de datos de dos vías de espectrometría de masas con análisis de datos de dos vías de matrices desplegadas y concatenadas para los datos de tres vías y · comparando el análisis de datos de dos vías del espectrometría de masas con el análisis de datos de tres vías para el conjunto de datos tridimensionales.Desde el punto de vista de cromatografía, la meta será la de optimizar el método cromatográfico con el fin de reducir el tiempo de análisis a un mínimo sin dejar de tener resultados aceptables.Un paso importante en el análisis de datos multivariados de vías múltiples es el preprocesamiento de datos. Debido a este objetivo, el último objetivo será el de determinar qué técnicas de preprocesamiento son las mejores para y el análisis de dos y tres vías de datos.Con el fin de alcanzar los objetivos propuestos se crearon dos grupos de datos. El primero consiste en las mezclas de nueve isómeros de dimetilfenol y etilfenol. La razón de esta elección fue la similitud de los espectros de masas entre sí. De esta manera la nariz electrónica basada en espectrometría de masas sería retada por el conjunto de datos. También teniendo en cuenta el tiempo de retención de los nueve isómeros solos, las soluciones se hicieron, como si el conjunto de datos demostraría el reto si se usaría sólo el tiempo de retención. Por tanto, este conjunto de datos "artificiales" sostiene nuestras esperanzas en mostrar las mejoras de la utilización de ambas dimensiones, la MS (espectros de masas) y la GC (tiempo de retención).Veinte clases, representando las soluciones de los nueve isómeros se midieron en diez repeticiones cada una, por tres métodos cromatográficos, dando un total de 600 mediciones. Los métodos cromatográficos fueron diseñados para dar un cromatograma resuelto por completo, un pico coeluido y una situación intermediaria con un cromatograma resuelto parcialmente. Los datos fueron registrados en una matriz de tres dimensiones con las siguientes direcciones: (muestras medidas) x (proporción m/z) x (tiempo de retención). Por "colapsar" los ejes X e Y del tiempo de retención cromatográfica y los fragmentos m/z, respectivamente, se obtuvieron dos matrices que representan los espectros de masa regular y el cromatograma de iones totales, respectivamente. Estos enfoques sueltan la información traída por la tercera dimensión y el despliegue por lo que la matriz original 3D y la concatenación de las TIC y el espectro de masa media se han tenido en consideración como una forma de preservar la información adicional de la tercera dimensión en una matriz de dos dimensiones.Los datos fueron tratados mediante la alineación de picos, con una media de centrado y la normalización por la altura máxima y el área del pico, los instrumentos de pre-procesamiento que también fueron evaluados por sus logros.Para el análisis de datos de dos vías fueron utilizados el PCA, PLS-DA y fuzzyARTMAP. La agrupación de PCA y PARAFAC fueron evaluados por la relación intervariedad - intravariedad, mientras que los resultados mediante fuzzy ARTMAP fueron dados como el éxito de la las tasas de clasificación en porcentajes.Cuando PCA y PARAFAC se utilizaron, como era de esperar, el método de cromatografía resuelto (método 1) dio los mejores resultados globales, donde los algoritmos 2D funcionan mejor, mientras que en un caso más complicado (picos más coeluidos del método 3) pierden eficacia frente a métodos 3D.En el caso de PLS-DA y n-PLS, aunque los resultados no son tan concluyentes como los resultados del PCA y PARAFAC, tratándose de las diferencias mínimas, el modelo de vías múltiples PLS-DA ofrece un porcentaje de éxito en la predicción de ambos conjuntos de datos. También se recomienda el n-PLS en vez de utilizar datos desplegados y concatenados, ya que construye un modelo más parsimonioso.Para el análisis fuzzyARTMAP, la estrategia de votación empleada ha demostrado que al usar los espectros de masa media y la información del cromatograma de iones totales juntos se obtienen resultados más consistentes.En el segundo conjunto de datos se aborda el problema de la adulteración del aceite de oliva extra virgen con aceite de avellana, que debido a las similitudes entre los dos aceites es una de las más difíciles de detectar. Cuatro aceites extra virgen de oliva y dos aceites de avellana se midieron puros y en mezclas de 30%, 10%, 5% y 2% con los mismos objetivos mostrando que la adición de la extra dimensión mejora los resultados. Se han hechos cinco repeticiones para cada preparación, dando un total de 190 muestras: 4 aceites puros de oliva, 2 aceites puros de avellana y 32 adulteraciones de aceite de avellana en aceite de oliva, dando un total de 38 clases. Dos métodos cromatográficos fueron utilizados. El primero estaba dirigido a una completa separación de los componentes del aceite de oliva y empleó una separación con temperatura programable, mientras que el objetivo del segundo método fue un pico coeluido, por lo tanto fue contratada una temperatura constante de separación. Los datos fueron analizados por medio de la PCA, PARAFAC, PLS-DA y PLS-n.Como en el conjunto "artificial" de datos, el PCA y PARAFAC se analizaron por medio de la capacidad de clusterización, que mostró que los mejores resultados se obtienen con los datos desplegados seguido por los datos 3D tratados con el PARAFAC.Desde el punto de vista de optimización de la columna, los logros obtenidos por la columna corta está por debajo del enfoque de la columna larga, pero este caso demuestra una vez más que la adición de los incrementos de tercera dimensión mejoran la nariz electrónica basada en MS.Para el PLS-DA y n-PLS se evaluaron las tasas de éxito comparativamente, tanto para las corridas cromatográficas largas como para las cortas. Mientras que para la columna larga el mejor rendimiento es para los datos del cromatograma de iones totales (TIC), la columna corta muestra mejor rendimiento para los datos concatenados de los espectros de masa media y TIC. Además, la predicción de las tasas de éxito son las mismas para los datos TIC de columna larga como para los datos concatenados de la columna corta. Este caso es muy interesante porque demuestra que el enfoque PLS de la tercera dimensión mejora los resultados y, por otra parte, mediante el uso de la columna corta el tiempo de análisis se acorta considerablemente.Se esperan ciertos logros de la nariz electrónica. Por el momento, ninguno de esos enfoques se acercó lo suficiente para producir una respuesta positiva en los mercados. Los sensores de estado sólido tienen inconvenientes casi imposibles de superar. La nariz electrónica basada en espectrometría de masas tiene una falta de portabilidad y a veces sus logros son insuficientes, y el aparato del cromatógrafo de gases-espectrómetro de masas sufre problemas de portabilidad igual que espectrómetro de masas y toma mucho tiempo. El desarrollo de potentes algoritmos matemáticos durante los últimos años, junto con los avances en la miniaturización, tanto para MS y GC y mostrar cromatografía rápida cierta esperanza de una nariz electrónica mucho mejor.A través de este trabajo podemos afirmar que la adición del tiempo de retención cromatográfica como una dimensión extra aporta una ventaja sobre las actuales tecnologías de la nariz electrónica. Mientras que para los cromatogramas totalmente resueltos no se logran mejoras o la ganancia es mínima, sobre todo en la predicción, para una columna corta la información adicional mejora los resultados, en algunos casos, hacerlos tan bien como cuando una larga columna se utiliza. Esto es muy importante ya que las mediciones en un cromatógrafo de gases - espectrometro de masas se pueden optimizar para tramos muy cortos, una característica muy importante para una nariz electrónica. Esto permitiría el diseño de un instrumento de mayor rendimiento, adecuado para el control de calidad en líneas de productos

Dynamic operation, efficient calibration, and advanced data analysis of gas sensors : from modelling to real-world operation

This thesis demonstrates the use of dynamic operation, efficient calibration and advanced data analysis using metal oxide semiconductor (MOS) gas sensors as an example – from modeling to real-world operation. The necessary steps for an applicationspecific, selective indoor volatile organic compound (VOC) measurement system are addressed, analyzed and improved. Factors such as sensors, operation, electronics and calibration are considered. The developed methods and tools are universally transferable to other gas sensors and applications. The basis for selective measurement is temperature cyclic operation (TCO). The model-based understanding of a semiconductor gas sensor in TCO for the optimized development of operating modes and data evaluation is addressed and, for example, the tailored and stable detection of short gas pulses is developed. Two successful interlaboratory tests for the measurement of VOCs in independent laboratories are described. Selective measurements of VOCs in the laboratory and in the field are successfully demonstrated. Calibrations using the proposed techniques of randomized design of experiment (DoE), model-based data evaluation and calibration with machine learning methods are employed. The calibrated models are compared with analytical measurements using release tests. The high agreement of the results is unique in current research.Diese Thesis zeigt den Einsatz von dynamischem Betrieb, effizienter Kalibrierung, und fortschrittlicher Datenanalyse am Beispiel von Metalloxid Halbleiter (MOS) Gassensoren – von der Modellierung bis zum realen Betrieb. Die notwendigen Schritte für ein anwendungsspezifisches, selektives Messystem für flüchtige organische Verbindungen (VOC) im Innenraum werden adressiert, analysiert und verbessert. Faktoren wie z.B. Sensoren, Funktionsweise, Elektronik und Kalibrierung werden berücksichtigt. Die entwickelten Methoden und Tools sind universell auf andere Gassensoren und Anwendungen übertragbar. Grundlage für die selektive Messung ist der temperaturzyklische Betrieb (TCO). Auf das modellbasierte Verständnis eines Halbleitergassensors im TCO für die optimierte Entwicklung von Betriebsmodi und Datenauswertung wird eingegangen und z.B. die maßgeschneiderte und stabile Detektion von kurzen Gaspulsen entwickelt. Zwei erfolgreiche Ringversuche zur Messung von VOCs in unabhängigen Laboren werden beschrieben. Selektive Messungen verschiedener VOCs im Labor und im Feld werden erfolgreich demonstriert. Dabei kommen Kalibrierungen mit den vorgeschlagenen Techniken des randomisierten Design of Experiment (DoE), der modellbasierten Datenauswertung und Kalibrierung mit Methoden des maschinellen Lernens zum Einsatz. Die kalibrierten Modelle werden anhand von Freisetzungstests mit analytischen Messungen verglichen. Die hohe Übereinstimmung der Ergebnisse ist einzigartig in der aktuellen Forschung

SAMPLING AND SENSING STRATEGIES FOR NOVEL APPLICATIONS WITH AN ARTIFICIAL OLFACTORY SYSTEM

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.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