Uni. Prof. Dr. Chris Mayhew is the Director of the Institute for Breath Research at the University of Innsbruck, Austria. The mission of the Institute is to deliver world-class interdisciplinary research tackling the challenges of applying non-invasive breath, skin and urine analyses for pharmacokinetic studies, and medical diagnosis, monitoring and screening. Our activities include fundamental research, clinical studies, mathematical modelling, and knowledge transfer between scientific, medical and industrial communities.
Career-to-date Imperial College London Research Fellow, London UK 1985-1987 Argonne National Laboratory Research Fellow, Chicago, USA 1987-1988 Alexander von Humboldt Fellow University of Bonn, Bonn, West Germany 1988-1989 School of Physics and Astronomy, University of Birmingham, Birmingham, UK:
Lecturer, 1989-1997 Senior Lecturer 1997-2006 Reader in Molecular Physics 2007-2018 Professor of Molecular Physics 2018-2020 Director of the Institute for Breath Research and University Professor, University of Innsbruck, Austria, 2016 – present.
Improving the interpretation of exhaled breath volatile data for clinical applications through mathematical and statistical methods
Chris A. Mayhew
Institute for Breath Research, Faculty for Chemistry and Pharmacy, University of Innsbruck, Innrain 80-82, A-6020 Innsbruck, Austria
E-mail: christopher.mayhew@uibk.ac.at
Nearly 1500 trace volatile organic compounds have been found in exhaled breath [1], with detected volume mixing ratios ranging from sub-parts per trillion by volume up to hundreds of parts per million by volume. These volatiles may arise endogenously – reflecting normal or abnormal metabolic processes and pathological states – or exogenously, through ingestion, inhalation, or dermal absorption of chemicals. In many cases, both endogenous and exogenous sources contribute simultaneously. This talk will present the advantages and limitations of exhaled breath volatiles for applications in the health sciences, with a focus on the potential development of diagnostically useful clinical breath test devices. After decades of research, no spectroscopic or spectrometric investigation has identified with any level of confidence any endogenous volatile organic compounds that provide biomarkers or fingerprints to diagnose a disease [2, 3]. This mainly results from a lack of standardization and from a number of confounding factors that are often overlooked in the analysis of endogenous volatiles contained in exhaled breath, which if ignored will significantly limit the interpretation of exhaled breath volatile data and thus prevent meaningful outcomes. Crucial confounding factors that are often overlooked are those that influence the alveolar volatile concentrations according to the Farhi equation, namely cardiac output, alveolar ventilation, blood:air partition coefficients and mixed-venous blood concentrations. Another potential confounding factor is associated with the contributions of volatiles produced in the oral cavity through microbial activity [4]. Microbially produced oral volatiles could be misattributed to systemic processes, particularly in untargeted discovery studies where the metabolic origin of detected compounds is not rigorously established. These concerns are becoming more and more relevant in the context of the increasingly frequent machine learning-driven breathomics [5], for which algorithms could blindly take the volatile fingerprints in untargeted discovery studies and hence include oral microbial volatiles as discriminatory features without understanding their non-diagnostic origin. The concentration of an exhaled endogenous breath volatile will in addition be affected if that volatile is also present in the ambient air [6]. This talk will highlight the importance of combining mathematical modeling and statistical analysis with experimental results to enable a far more informed interpretation of the exhaled breath volatile data. Together, they directly address the primary crucial aspects of breath research so that exhaled volatiles can begin to fulfill their promise as transformative, non-invasive diagnostic biomarkers. Finally, we will discuss how exogenous, rather than endogenous, breath volatiles have possibly a greater potential of being exploited as useful metabolic probes to the human body, capable of providing unique biomarkers for use in diagnostically useful tests that could be clinically acceptable.
References
[1] Drabinska, C. Flynn, N. Ratcliffe et al, A literature survey of all volatiles from healthy human breath and bodily fluids: the human volatilome, J. Breath Res. 15 (2021) 034001 doi: 10.1088/1752-7163/abf1d
[2] Ruzsanyi, F. Lochmann, S. Jürschik et al, The Origin and Emission of Volatile Biomarkers, Chapter 1 of Volatile Biomarkers for Human Health: From Nature to Artificial Senses, First Edition, Editor Hossam Haick (RCS, 2022) ISBN 978-1-83916-430-9
[3] S. Modak, Why have only a handful of breath tests made the transition from R&D to clinical practice?, J. Breath Res. 18 (2024) 012001 doi: 10.1088/1752-7163/acff7d
[4] S. Petralia et al, The oral microbiome and its effect on exhaled breath volatile analysis – the elephant in the room, J. Breath Res. 19 (2025) 046004 doi: 10.1088/1752-7163/adf505
[5] Smolinska et al, Current breathomics – a review on data pre-processing techniques and machine learning in metabolomics breath analysis, J. Breath Res. 8 (2014) 027105 doi: 10.1088/1752-7155/8/2/027105
[6] Beauchamp, Inhaled today, not gone tomorrow: pharmacokinetics and environmental exposure of volatiles in exhaled breath, J Breath Res. 5 (2011) 037103 doi: 10.1088/1752-7155/5/3/037103.
Prof. dr hab. Ewa Bulska
Prof. dr hab. Ewa Bulska, Pracownik Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego (UW). Od 2005 r. kierownik Centrum Metrologii Chemicznej UW, a od 2013 roku dyrektor Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych UW. Członek Komitetu Chemii Analitycznej PAN oraz przewodnicząca Zespołu Spektrometrii Atomowej KChA PAN, członek Polskiego Towarzystwa Chemicznego, członek zarządu Klubu Polskich Laboratoriów Badawczych POLLAB, członek zarządu międzynarodowej organizacji Eurolab. Od 2017 roku przewodnicząca Rady Metrologii przy Prezesie Głównego Urzędu Miar. Jest przewodniczącą Rady Programowej wydawnictwa MALAMUT. Prof. E. Bulska posiada w swoim dorobku ponad 200 publikacji naukowych. Jest również autorką podręcznika „Metrologia Chemiczna”, wydanego przez wydawnictwo MALAMUT oraz powstałej na tej podstawie monografii „Metrology in Chemistry” (Springer, 2018 r.). Jest laureatka wielu nagród, w tym nagrody im. Bunsena-Kirchoffa przyznanej przez Niemieckie Towarzystwo Chemiczne w zakresie spektroskopii atomowej (2004 r.); nagrody Uniwersytetu Warszawskiego im W. Świętosławskiego za wybitne osiągnięcia naukowe w zakresie zastosowań chemii analitycznej (2006 r.); medalu im. Wiktora Kemuli przyznanego przez Polskie Towarzystwo Chemiczne, za wybitne osiągnięcia z zakresu chemii analitycznej (2012 r.).; tytuł IUPAC’2015 Distinguished Women in Chemistry, przyznanej przez organizację IUPAC (2015 r.); nagrody im. Jerzego Fijałkowskiego przyznanej przez Komitet Chemii Analitycznej PAN, za wybitne osiągnięcia w zakresie analitycznej spektrometrii atomowej i spektrometrii mas (2016 r.). Została wyróżniona odznaczeniami państwowymi, Złoty Krzyż Zasługi (2015 r.) oraz Krzyż Kawalerski Odrodzenia Polski (2019 r.)
Uniwersytet Warszawski, Wydział Chemii, Centrum nauk Biologiczno-Chemicznych Warszawa, ul. Żwirki i Wigury 101
Metrologiczna spójność pomiarowa to właściwość wyniku pomiaru polegająca na tym, że wynik można powiązać z określonym wzorcem danej cechy chemicznej. Jeśli wynik pomiaru wyrażany jest w jednostkach międzynarodowego systemu jednostek miar, przyjmuje się tym samym a priori spójność pomiarową z daną jednostką SI. Przyjętą dla wielkości chemicznych jednostką układu SI jest mol, natomiast biorąc pod uwagę ogromną różnorodność substancji chemicznych, w praktyce nie jest możliwe przygotowanie wzorca mola tych wszystkich substancji. Tym bardziej, iż oznaczane substancje występują w różnym otoczeniu chemicznym (matrycy chemicznej), jak również mogą występować w różnych stanach fizycznych lub w różnej formie (np. ciało stałe w formie litej lub w postaci proszku). Podsumowując, zapewnienie spójności pomiarowej dla każdego rodzaju pomiarów właściwości chemicznych jest zagadnieniem trudnym i zawsze musi być rozpatrywane indywidualnie.
W wystąpieniu omówione zostaną sposoby zapewnienia metrologicznej spójności pomiarowej zarówno w badaniach naukowych, jak również w badaniach komercyjnych, uwzględniając przy tym specyfikę obu rodzajów badań i możliwość zapewnienia spójności pomiarowej, w zależności od celu badania i wykorzystania wyników.
Ze szczególną uwagą omówione zostaną polecane scenariusze zapewnienia spójności pomiarowej za pomocą wzorców czystych substancji, wzorców matrycowych przygotowanych syntetycznie, jak również certyfikowanych materiałów odniesienia. Ważny jest przemyślany dobór odpowiednich wzorców, ocena ich cech metrologicznych, tak aby dana substancja odniesienia w jak najlepszy sposób odwzorowywała rodzaj badanych obiektów. Najwięcej uwagi zostanie poświęcone zagadnieniom wyboru i stosowania matrycowych, certyfikowanych materiałów odniesienia, ich wartościom certyfikowanym wraz z przypisaną wartością niepewności. W wystąpieniu przedstawiony zostanie przewodnik „Od wzorca do wyniku”, opracowanie przygotowane przez zespół z Uniwersytetu Warszawskiego.
Bibliografia
[1] Od wzorca do wyniku. Praktyczny przewodnik dla pracowników laboratorium. Wybór i stosowanie chemicznych materiałów odniesienia, Bulska E., Gawor A., Karasiński J., Ruszczyńska A., Tupys A., Wojciechowski M., wyd. Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych Uniwersytetu Warszawskiego (2026), ISBN 978-83-979743-0-2.
[2] Metrologia chemiczna. Sztuka prowadzenia pomiarów, Bulska E. Wydawnictwo Malamut (2012), ISBN 978-83-934442-2-9
Prof. Ivo Leito
Ivo Leito, obtained his PhD from University of Tartu (UT) in 1998. Starting from 2005 he works as professor of analytical chemistry at Institute of Chemistry, University of Tartu. His main research directions are on the borderline of analytical chemistry with other disciplines: chemistry of acids and bases in non-aqueous solutions; metrology in chemistry; liquid chromatography and mass spectrometry; sensors and their metrological characterization; applications of instrumental methods in analysis of historical objects. He supervises research projects of degree students, teaches analytical chemistry and metrology in chemistry at all study levels and organizes short training courses for practitioners on different topics of analytical chemistry and metrology in chemistry. He is the initiator and coordinator of the Erasmus Mundus master’s programme Excellence in analytical Chemistry (https://www.analyticalchemistry.eu) as well as web-based courses on measurement uncertainty in chemistry (https://sisu.ut.ee/measurement/uncertainty) and LC-MS method validation (https://sisu.ut.ee/lcms_method_validation/). He participates in several international chemistry and metrology organisations (IUPAC Division of Analytical Chemistry, Eurachem, Euramet Technical Committee of Metrology in Chemistry).
Estimating measurement uncertainty in chemical measurements: difficulties and misconceptions
University of Tartu, Institute of Chemistry, Ravila 14a, 50411 Tartu, Estonia
E-mail: ivo.leito@ut.ee
Presenting results of chemical measurements – both chemical analysis and physico-chemical measurement – with uncertainty estimates is almost universally seen as both necessary and useful. There are good guideline materials [1,2] and online courses [3], which present consistent and widely accepted approaches to uncertainty estimation. In spite of this, the practical application of these approaches to chemical measurements is still often challenging for practitioners [4].
This talk presents some typical problematic uncertainty estimation situations from practitioners point of view and some misconceptions that practitioners have. Several of the presented misconceptions and situations are recurringly encountered at training events and on-line courses. The proposed solutions are pragmatically oriented, aiming at simplicity and usability by practitioners in real-world situations, rather than full mathematical rigor. They are often based on compromises and assumptions and are not always fully in line with the generally accepted positions.
Support was received from the project 23RPT03 GrainMet, which has received funding from the European Partnership on Metrology, co-financed from the European Union’s Horizon Europe Research and Innovation Programme and by the Participating States (Funder name: European Partnership on Metrology; Funder ID: 10.13039/100019599; Grant number: 23RPT03).
References
[1] Stephen.L.R. Ellison, A. Williams, eds., Eurachem/CITAC guide: Quantifying Uncertainty in Analytical Measurement, 3rd ed., Eurachem/CITAC, Teddington, 2012. www.eurachem.org
[2] B. Magnusson, T. Näykki, H. Hovind, M. Krysell, E. Sahlin, Handbook for calculation of measurement uncertainty in environmental laboratories (NT TR 537 – Edition 4) – Nordtest.info, 4th ed., Nordtest, Taastrup, 2017. http://www.nordtest.info/ (accessed May 23, 2025)
[3] I. Leito, I. Helm, L. Jalukse, Using MOOCs for teaching analytical chemistry: experience at University of Tartu, Anal. Bioanal. Chem. 407 (2015) 1277–1281. https://doi.org/10.1007/s00216-014-8399-y
[4] I. Leito, I. Helm, Metrology in chemistry: some questions and answers, J.Chem.Metrol. 14 (2020) 83–87. https://doi.org/10.25135/jcm.50.20.10.1838
Prof. SGHdr hab. Michał Bernardelli
Prof. SGHdr hab. Michał Bernardelli. Pracownik Kolegium Analiz Ekonomicznych Szkoły Głównej Handlowej w Warszawie. Dziekan Studium Magisterskiego SGH w kadencji 2024-2028 oraz kierownik Centrum Wychowania Fizycznego i Sportu SGH od 2015 r. Ukończył Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki Uniwersytetu Warszawskiego w 2003 r., uzyskując dwa tytuły magisterskie: matematyka i informatyka. Na tym samym wydziale w 2008 roku uzyskał stopień doktora nauk matematycznych w specjalności matematyka stosowana. W 2020 roku uzyskał habilitację w zakresie nauk ekonomicznych.
Członek zespołu doradczego Ministra Nauki ds. programów „Społeczna odpowiedzialność nauki” i działalności upowszechniającej naukę. Specjalista ds. systemu gospodarczego w Biurze Ekspertyz i Oceny Skutków Regulacji Kancelarii Sejmu.
Od ponad 20 lat konsultant, kierownik i wykonawca wielu projektów komercyjnych i badawczo-rozwojowych w obszarze modelowania ekonometrycznego oraz sztucznej inteligencji. Interdyscyplinarność jego prac naukowych opiera się głównie na wykorzystaniu aparatury informatycznej i matematycznej do rozwiązywania problemów z obszarów związanych z analizą i eksploracją danych, w szczególności w problematyce Big Data, metod predykcyjnych i optymalizacji. Jest autorem ponad 100 artykułów naukowych, jak również kilku monografii.
Od analityki opisowej i diagnostycznej do predykcyjnej i preskryptywnej: sztuczna inteligencja jako nowy język chemometrii
Szkoła Główna Handlowa w Warszawie, Instytut Ekonometrii, Zakład Metod Probabilistycznych
Rosnące wolumeny danych oraz potrzeba szybkich i wiarygodnych, a przede wszystkim powtarzalnych analiz i interpretowalnego wnioskowania sprawiają, że chemometria wchodzi w nową fazę rozwoju, w której sztuczna inteligencja staje się naturalnym rozszerzeniem metodologicznym. W wystąpieniu przedstawione zostanie przejście od klasycznych podejść opisowych i diagnostycznych — opartych na redukcji wymiaru, kalibracji i walidacji — do modeli predykcyjnych i preskryptywnych, które nie tylko przewidują określone właściwości, ale też identyfikują wzorce i mają potencjał rekomendowania działań optymalizujących procesy analityczne i środowiskowe.
Integralną częścią wystąpienia będą przykłady integracji chemometrii z uczeniem maszynowym i głębokim uczeniem w analizie widmowej, chromatograficznej i obrazowej, ze szczególnym uwzględnieniem zastosowań w monitoringu środowiska, w tym analizie jakości wód i powietrza, ocenie skażeń oraz kontroli procesów przemysłowych. W omawianych przykładach zastosowań nacisk zostanie położony na kwestie metrologiczne: niepewność modeli sztucznej inteligencji, determinizm i stabilność rozwiązań, jak również interpretowalność uzyskiwanych wyników.
Wystąpienie pokaże, jak współczesne modele umożliwiają automatyzację analiz, wcześniejsze wykrywanie zagrożeń środowiskowych czy optymalizację parametrów procesowych. Zarysowane zostaną również kierunki rozwoju, takie jak explainable AI, modele generatywne oraz inteligentne systemy wspomagania decyzji, które redefiniują rolę chemometrii jako dyscypliny łączącej rygor metrologiczny z elastycznością nowoczesnych metod obliczeniowych.
Prof. dr hab. Ewa Bulska, Pracownik Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego (UW). Od 2005 r. kierownik Centrum Metrologii Chemicznej UW, a od 2013 roku dyrektor Centrum Nauk Biologiczno-Chemicznych UW. Członek Komitetu Chemii Analitycznej PAN oraz przewodnicząca Zespołu Spektrometrii Atomowej KChA PAN, członek Polskiego Towarzystwa Chemicznego, członek zarządu Klubu Polskich Laboratoriów Badawczych POLLAB, członek zarządu międzynarodowej organizacji Eurolab. Od 2017 roku przewodnicząca Rady Metrologii przy Prezesie Głównego Urzędu Miar. Jest przewodniczącą Rady Programowej wydawnictwa MALAMUT.
Ivo Leito, obtained his PhD from University of Tartu (UT) in 1998. Starting from 2005 he works as professor of analytical chemistry at Institute of Chemistry, University of Tartu. His main research directions are on the borderline of analytical chemistry with other disciplines: chemistry of acids and bases in non-aqueous solutions; metrology in chemistry; liquid chromatography and mass spectrometry; sensors and their metrological characterization; applications of instrumental methods in analysis of historical objects. He supervises research projects of degree students, teaches analytical chemistry and metrology in chemistry at all study levels and organizes short training courses for practitioners on different topics of analytical chemistry and metrology in chemistry. He is the initiator and coordinator of the Erasmus Mundus master’s programme Excellence in analytical Chemistry (https://www.analyticalchemistry.eu) as well as web-based courses on measurement uncertainty in chemistry (https://sisu.ut.ee/measurement/uncertainty) and LC-MS method validation (https://sisu.ut.ee/lcms_method_validation/). He participates in several international chemistry and metrology organisations (IUPAC Division of Analytical Chemistry, Eurachem, Euramet Technical Committee of Metrology in Chemistry).
Prof. SGH dr hab. Michał Bernardelli. Pracownik Kolegium Analiz Ekonomicznych Szkoły Głównej Handlowej w Warszawie. Dziekan Studium Magisterskiego SGH w kadencji 2024-2028 oraz kierownik Centrum Wychowania Fizycznego i Sportu SGH od 2015 r. Ukończył Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki Uniwersytetu Warszawskiego w 2003 r., uzyskując dwa tytuły magisterskie: matematyka i informatyka. Na tym samym wydziale w 2008 roku uzyskał stopień doktora nauk matematycznych w specjalności matematyka stosowana. W 2020 roku uzyskał habilitację w zakresie nauk ekonomicznych.