rmjournalЭталоны. Стандартные образцыMeasurement Standards. Reference Materials2687-0886D. I. Mendeleyev Institute for Metrology10.20915/2077-1177-2024-20-2-5-22rmjournal-486Research ArticleЭталоныStandardsРазработка эталонной установки для метрологического обеспечения измерений дельта значения отношения изотопов углерода и кислорода в выдыхаемом воздухеDevelopment of a Reference Installation for Metrological Support of the Delta Value Measurements of the Ratio of Carbon and Oxygen Isotopes in Exhaled Airhttps://orcid.org/0000-0002-3408-5116ЧубченкоЯ. К.ChubchenkoI. K.

Чубченко Ян Константинович – канд. тех. наук, руководитель лаборатории государственных эталонов и научных исследований в области измерений отношений изотопов

190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 19

Ian K. Chubchenko – Cand. Sci. (Eng.), Head of the laboratory of measurement standards and scientific research of isotope ratios

19 Moskovskiy ave., St. Petersburg, 190005

https://orcid.org/0000-0001-6042-6933КолобоваА. В.KolobovaA. V.

Колобова Анна Викторовна – канд. тех. наук, руководитель научно-исследовательского отдела государственных эталонов в области физико-химических измерений

190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 19

Anna V. Kolobova – Cand. Sci. (Eng.), Head of the research department of state measurement standards in the field of physical and chemical measurements

19 Moskovskiy ave., St. Petersburg, 190005

ЛарошА. В.LaroshA. V.

Ларош Артем Вадимович – инженер лаборатории государственных эталонов и научных исследований в области измерений отношений изотопов

190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 19

Artem V. Larosh – Engineer of the laboratory of measurement standards and scientific research of isotope ratios

19 Moskovskiy ave., St. Petersburg, 190005

АфанасьевГ. А.AfanasyevG. A.

Афанасьев Георгий Александрович – инженер лаборатории государственных эталонов и научных исследований в области измерений отношений изотопов

190005, г. Санкт-Петербург, Московский пр., д. 19

Georgy A. Afanasyev – Engineer of the laboratory ofmeasurement standards and scientific research of isotope ratios

19 Moskovskiy ave., St. Petersburg, 190005

ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева»РоссияD. I. Mendeleyev Institute for MetrologyRussian Federation202401072024202522Copyright © Чубченко Я.К., Колобова А.В., Ларош А.В., Афанасьев Г.А., 20242024Чубченко Я.К., Колобова А.В., Ларош А.В., Афанасьев Г.А.Chubchenko I.K., Kolobova A.V., Larosh A.V., Afanasyev G.A.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rmjournal.ru/jour/article/view/486

Дыхательные тесты в отечественной и зарубежной медицине признаны эффективным и безопасным способом выявления в желудочно-кишечном тракте патогенов, в частности – бактерии Helicobacter Pylori. В конце XX в. для диагностики заболеваний желудочно-кишечного тракта в клиническую практику был введен уреазный дыхательный тест на основе использования мочевины, меченной стабильным изотопом 13С ( 13С-уреазный дыхательный тест). Суть метода заключается в измерении дельта значения отношения изотопов углерода и кислорода в выдыхаемом воздухе. За десятилетия клинической практики применения указанного теста аккумулирован богатый опыт, связанный с диагностикой заболеваний, вызванных, в том числе, бактерией Helicobacter Pylori. Значительный массив знаний накоплен и в части метрологического сопровождения измерений дельта значения отношения изотопов углерода и кислорода в выдыхаемом воздухе.

В настоящей статье описаны процедура и результаты разработки эталонной установки для метрологического обеспечения измерений дельта значения отношения изотопов углерода и кислорода в выдыхаемом воздухе, реализованные в рамках СЧ ОКР «Система-2020-М» во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева. Авторы представили теоретическую проработку, методологию испытаний, их последовательность и результаты. Публикация также содержит отчет о проведении международных сличений CCQM-P204 «Изотопные отношения CO2 (δ13VPDB и δ18VPDB) в чистом CO2» с участием разработанной ВНИИМ эталонной установки. Полученные в ходе сличений метрологические характеристики эталонной установки соответствуют метрологическим характеристикам ведущих метрологических институтов мира в части измерений дельта значения отношения изотопов углерода и кислорода.

Учитывая высокую востребованность дыхательных тестов в медицинской практике и очевидную перспективность данного вида диагностики, дальнейшие исследования будут направлены на создание Государственного первичного эталона единицы дельта значения отношения изотопов углерода, кислорода, водорода на базе созданной эталонной установки и разработку сертифицированных стандартных образцов отношений изотопов углерода, кислорода, водорода в жидких, твердых и газообразных средах, в том числе – с целью замещения ими материалов зарубежного производства.

Breath tests in domestic and foreign medicine are recognized as an effective and safe way to identify pathogens in the gastrointestinal tract, in particular the Helicobacter Pylori bacteria. At the end of the 20th century, a urease breath test was introduced into clinical practice to diagnose diseases of the gastrointestinal tract; it was based on the use of urea labeled with a stable isotope 13C ( 13C-urease breath test). The essence was to measure the delta value of the ratio of carbon and oxygen isotopes in exhaled air.

Over decades of clinical practice of using this test, a wealth of experience related to the diagnosis of diseases caused, including by the Helicobacter Pylori bacteria has been accumulated. A significant amount of knowledge has also been accumulated in terms of metrological support of the carbon and oxygen isotope delta in exhaled air.

The article describes the procedure and results of developing a development of a measurement standard of carbon and oxygen isotope delta in exhaled air, implemented within the R&D a/c No. «Sistema-2020-М» at the D. I. Mendeleyev Institute for Metrology (VNIIM). The authors presented the theoretical study, test methodology, their sequence and results. The article also contains a report on the international comparisons CCQM-P204 “Isotope ratios of CO2 (δ13VPDB and δ18VPDB) in pure CO2” with the application of the measurement standard developed by VNIIM. The metrological characteristics of the measurement standard obtained during the comparisons correspond to the most accurate measurements of the ratio of carbon and oxygen isotopes, which guarantees the recognition of the measurement results at the international level. Considering the high demand for breath tests in medical practice and obvious prospects of this type of diagnostics, further research will be aimed at creating a State Primary Standard for the delta value unit of the ratio of isotopes of carbon, oxygen, hydrogen based on the created measurement standard and the development of certified reference materials of the ratio of isotopes of carbon, oxygen, hydrogen in liquid, solid, and gaseous media, including for the purpose of replacing foreign-made materials.

метрологиястабильные изотопыизотопная масс-спектрометрияизотопная инфракрасная спектроскопиястандартные образцы изотоповстандартные образцы изотопного составаизотопный дыхательный тест13C-уреазный дыхательный тест13C/ 12Cδ13Cотношение изотоповHelicobacter Pylorimetrologystable isotopesisotope mass spectrometryisotope infrared spectroscopyisotope reference materialsreference materials of isotope compositionisotope breath test13C-urease breath test13C/ 12Cδ13Cisotope ratioHelicobacter PyloriСтатья выполнена в рамках договора № 02567567/12479/0505–20 от 04.12.2020 «Выполнение СЧ ОКР по разработке эталонного комплекса измерения массового расхода криогенных жидкостей; комплекса государственных первичных референтных методик измерений; эталонных установок и стандартных образцов для метрологического обеспечения измерений в медицинской лабораторной диагностике; комплекса для метрологического обеспечения цифровых электрических подстанций», шифр СЧ ОКР «Система-2020-М».ReferencesХеннесси Е. О. Серологические маркеры цепиакии и нарушение моторно-эвакуаторной функции желудка у детей и подростков с сахарным диабетом 1 типа : спец. 14.01.02. «Эндокринология» : автореферат дисс. на соискание степени канд. мед. наук / Е. О. Хеннесси; ФГБУ «Эндокринологический научный центр» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации. М., 2012. Место защиты: ФГБУ «Эндокринологический научный центр» Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации. URL: https://www.endocrincentr.ru/sites/default/files/specialists/science/dissertation/hennessy.pdf?ysclid=luqw9v9biw282464994 (дата обращения: 17.01.2024).Hennessy E. O. Serological markers of celiac disease and impaired motor evacuation function of the stomach in children and adolescents with type 1 diabetes mellitus. PhD (Eng.). sci. diss., Endocrinological Research Center of the Ministry of Health and Social Development of the Russian Federation. Available at (In Russ.): https://www.endocrincentr.ru/sites/default/files/specialists/science/dissertation/hennessy.pdf?ysclid=luqw9v9biw282464994 [Accessed 17 January 2024].Эльман А. Р., Рапопорт С. И. Стабильно-изотопная диагностика в России: итоги и перспективы. 13С-препараты, приборы, методы // Клиническая медицина. 2014. Т. 92, № 7. С. 5–11.Elman A. R., Rapoport S. I. Stable isotope diagnostics in Russia: results and prospects. 13C-drugs, devices, methods. Klinicheskaya medicina. 2014;92(7):5–11. (In Russ.).Заикин В. Г. Хромато-масс-спектрометрия в России // Журнал аналитической химии. 2011. Т. 66, № 11. С. 1205–1209.Zaikin V. G. Chromatography-mass spectrometry. Journal of Analytical Chemistry. 2011;66(11):1090–1094. (In Russ.).Колобова А. В., Чубченко Я. К., Афанасьев Г. А. Разработка эталонной установки для метрологического обеспечения диагностики заболеваний, вызванных инфекцией Helicobacter Pylori на основе определения изотопов углерода и кислорода в выдыхаемом воздухе // Сборник тезисов докладов II Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «За нами будущее» и Х Международного конкурса «Лучший молодой метролог КООМЕТ – 2023», Екатеринбург, 14–16 июня 2023 г. : Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии [и др.]. СПб.: ООО «Издательско-полиграфическая компания «Коста», 2023. С. 236–238.Kolobova A. V., Chubchenko Ya. K., Afanasyev G. A. Development of a reference installation for metrological support for the diagnosis of diseases caused by Helicobacter Pylori infection based on the determination of carbon and oxygen isotopes in exhaled air. In: Collection of abstracts of the II International Scientific and Practical Conference of Young scientists and specialists «Za nami budushchee» and X International Competition «The best young metrologist КООМЕТ – 2023», 14–16 June 2023, Ekaterinburg, Russia. Federal Agency for Technical Regulation and Metrology et al: Saint-Petersburg: ООО «Izdatel’sko-poligraficheskaya kompaniya “Kosta”»; 2023. P. 236–238. (In Russ.).SRS-sensor 13C/12C isotops measurements for detecting Helicobacter Pylori / A. Grishkanich [et al.] // Optical fibers and sensors for medical diagnostics and treatment applications XVIII. Vol. 10488. SPIE, 2018. P. 198–209. https://doi.org/10.1117/12.2295927Grishkanich A., Chubchenko Y., Elizarov V., Zhevlakov A., Konopelko L. SRS-sensor 13C/12C isotops measurements for detecting Helicobacter Pylori. In: Optical fibers and sensors for medical diagnostics and treatment applications XVIII. Vol. 10488. SPIE; 2018. P. 198–209. https://doi.org/10.1117/12.2295927Raman sensor with isotopic resolution for medical applications / Y. Chubchenko [et al.] // 2018 International Conference Laser Optics (ICLO). IEEE, 2018. P. 572–572. DOI:10.1109/LO.2018.8435819Chubchenko Y., Konopelko L., Elizarov V., Grishkanich A., Zhevlakov A. P., Tishkov V. et al. Raman sensor with isotopic resolution for medical applications. In: International Conference Laser Optics (ICLO). IEEE; 2018. P. 572–572. https://doi.org/10.1109/LO.2018.8435819Helicobacter pylori breath test by the Raman spectroscopy gas analyzer / E. E. Popov [et al.] // 2022 International Conference Laser Optics (ICLO). IEEE, 2022. P. 1–1. https://doi.org/10.1109/ICLO54117.2022.9840012Popov E. E., Polishchuk A. V., Chubchenko I. K., Kuznetsova O. B., Vitkin V. V. Helicobacter pylori breath test by the Raman spectroscopy gas analyzer. In: 2022 International Conference Laser Optics (ICLO). IEEE; 2022. P. 1–1. https://doi.org/10.1109/ICLO54117.2022.984001213С measurements in a human exhalation / E. E. Popov [et al.] // 2022 International Conference Laser Optics (ICLO), 20–24 June 2022, St. Petersburg, Russia. IEEE, 2022. С. 1–1. https://doi.org/10.1109/ICLO54117.2022.9839711Popov E. E., Polishchuk A. V., Chubchenko I. K., Grigorenko K. M., Kovalev A. V. In: International Conference Laser Optics (ICLO), 20–24 June 2022, Saint-Petersburg, Russia. IEEE; 2022. https://doi.org/10.1109/ICLO54117.2022.9839711Чубченко Я. К. Разработка стандартных образцов изотопного состава диоксида углерода для 13С-уреазного дыхательного теста // Эталоны. Стандартные образцы. 2023. Т. 19, № 4. С. 51–62. https://doi.org/10.20915/2077-1177-2023-19-4-51-62Chubchenko I. K. Development of isotopic reference materials for 13C-urea breath tests. Measurement Standards. Reference Materials. 2023;19(4):51–62. (In Russ.) https://doi.org/10.20915/2077-1177-2023-19-4-51-62Srivastava A., Verkouteren M. R. Metrology for stable isotope reference materials: 13C/12C and 18O/16O isotope ratio value assignment of pure carbon dioxide gas samples on the Vienna PeeDee Belemnite-CO2 scale using dual-inlet mass spectrometry // Analytical and Bioanalytical Chemistry. 2018. Т. 410. С. 4153–4163. https://doi.org/10.1007/s00216-018-1064-0Srivastava A., Michael Verkouteren R. Metrology for stable isotope reference materials: 13C/12C and 18O/16O isotope ratio value assignment of pure carbon dioxide gas samples on the Vienna PeeDee Belemnite-CO2 scale using dual-inlet mass spectrometry. Analytical and bioanalytical chemistry. 2018;410:4153–4163. https://doi.org/10.1007/s00216-018-1064-0Final report of CCQM-P204, comparison on CO2 isotope ratios in pure CO2 / J. Viallon [et al.] // Metrologia. 2023. Vol. 60, № 1A. P. 08026. https://doi.org/10.1088/0026-1394/60/1A/08006Viallon J., Choteau T., Flores E., Idrees F., Moussay P., Wielgosz R. I. et al. Final report of CCQM-P204, comparison on CO2 isotope ratios in pure CO2. Metrologia. 2023;60(1A):08026. https://doi.org/10.1088/0026-1394/60/1A/08006An optimized sampling system for highly reproducible isotope ratio measurements (δ13C and δ18O) of pure CO2 gas by infrared spectroscopy / J. Viallon [et al.] // Metrologia. 2020. Vol. 57, № 5. P. 055004. https://doi.org/10.1088/1681-7575/ab948cViallon J., Flores E., Moussay P., Chubchenko I., Rolle F., Zhang T. et al. An optimized sampling system for highly reproducible isotope ratio measurements (δ13C and δ18O) of pure CO2 gas by infrared spectroscopy. Metrologia. 2020;57(5):055004. https://doi.org/10.1088/1681-7575/ab948cCraig H. Isotopic standards for carbon and oxygen and correction factors for mass-spectrometric analysis of carbon dioxide // Geochimica et cosmochimica acta. 1957. Vol. 12, № 1–2. P. 133–149. https://doi.org/10.1016/0016-7037(57)90024-8Craig H. Isotopic standards for carbon and oxygen and correction factors for mass-spectrometric analysis of carbon dioxide. Geochimica et cosmochimica acta. 1957;12(1–2):133–149. https://doi.org/10.1016/0016-7037(57)90024-8Brand W. A., Assonov S. S., Coplen T. B. Correction for the 17O interference in δ(13C) measurements when analyzing CO2 with stable isotope mass spectrometry (IUPAC Technical Report) // Pure and Applied Chemistry. 2010. Vol. 82, № 8. P. 1719–1733. https://doi.org/10.1351/PAC-REP-09-01-05Brand W. A., Assonov S. S., Coplen T. B. Correction for the 17O interference in δ(13C) measurements when analyzing CO2 with stable isotope mass spectrometry (IUPAC Technical Report). Pure and Applied Chemistry. 2010;82(8):1719–1733. https://doi.org/10.1351/PAC-REP-09-01-05Santrock J., Studley S. A., Hayes J. M. Isotopic analyses based on the mass spectra of carbon dioxide // Analytical Chemistry. 1985. Vol. 57, № 7. P. 1444–1448. https://doi.org/10.1021/ac00284a060Santrock J., Studley S. A., Hayes J. M. Isotopic analyses based on the mass spectra of carbon dioxide. Analytical Chemistry. 1985;57(7):1444–1448. https://doi.org/10.1021/ac00284a060

The authors declare that there are no conflicts of interest present.