Spectroscopic measurement of volatile organic compounds as biomarkers for human breath analysis

BTEX compounds - benzene, toluene, ethylbenzene, and xylenes - are among the most hazardous Volatile Organic Compounds (VOCs), thus their highly sensitive and selective detection can provide key information in many applications, ranging from environmental monitoring to breath analysis. Optical sensors based on laser absorption spectroscopy (LAS) techniques can represent a viable solution for BTEX detection since these compounds show strong and distinct absorption features in the spectral region 13 - 15 μm. Among these techniques, Quartz-Enhanced Photoacoustic Spectroscopy (QEPAS) and Light-Induced Thermoelastic Spectroscopy (LITES) represent two effective techniques. The research activity carried out during my Ph.D. program in Industry 4.0 at the Polytechnique University of Bari was focused on the development of optical sensors based on QEPAS and LITES techniques for benzene detection, targeting the absorption band centred at 14.85 𝜇𝑚 using a non-commercial Quantum Cascade Laser (QCL) source. The developed QEPAS and LITES sensors showed an excellent linear response and estimated minimum detection limits (MDL) of 13 𝑝𝑝𝑏 and 105 ppb, respectively, were obtained with a lock-in time constant of 100 𝑚𝑠.

I composti BTEX - benzene, toluene, etilbenzene e xileni - sono tra i composti organici volatili (COV) più pericolosi, pertanto il loro rilevamento altamente sensibile e selettivo può fornire informazioni chiave in molte applicazioni, dal monitoraggio ambientale all'analisi dell'espirato. I sensori ottici basati su tecniche di spettroscopia di assorbimento laser (LAS) possono rappresentare una soluzione per il rilevamento di BTEX poiché questi composti mostrano caratteristiche di assorbimento forti e distinte nella regione spettrale 13 - 15 μm. Tra queste tecniche, la spettroscopia fotoacustica a diapason di quarzo (QEPAS) e la spettroscopia termoelastica indotta dalla luce (LITES) rappresentano due tecniche efficaci. L'attività di ricerca svolta durante il mio dottorato di ricerca in Industria 4.0 presso il Politecnico di Bari si è concentrato sullo sviluppo di sensori ottici basati su tecniche QEPAS e LITES per il rilevamento di benzene, mirando la banda di assorbimento target centrata a 14,85 𝜇𝑚 utilizzando un Laser a cascata quantica (QCL) non commerciale. I sensori QEPAS e LITES sviluppati hanno mostrato un'eccellente risposta lineare e sono stati ottenuti limiti di rilevamento minimi stimati (MDL), rispettivamente di 13 𝑝𝑝𝑏 e 105 ppb, con una costante di tempo del lock-in amplifier di 100 𝑚𝑠.