Artikel teilen
Die Aufrechterhaltung stabiler ORP-Werte spielt auch eine besondere Rolle für die korrekte Funktion unseres Körpers, da der Stoffwechsel auf einem präzisen Mechanismus miteinander verbundener Redoxsysteme beruht. In den letzten Jahrzehnten gab es eine wachsende Besorgnis über den Einsatz von Antioxidantien, um eine bessere Lebensqualität zu erreichen. Ein Beispiel dafür ist Wasser, das weniger oxidierend ist als normales Leitungswasser. Die Nachfrage nach diesem speziellen Wasser ist in den letzten Jahren für die Verwendung in Getränken, Lebensmitteln, Bädern, künstlichen Körperflüssigkeiten, Kosmetika, Hautpflegeprodukten und anderen Zwecken gewachsen [4].
Das Oxidations-Reduktions-Potenzial (ORP), auch bekannt als Redox-Potenzial, beeinflusst viele unserer täglichen Routinen, wie beispielsweise das einfache Öffnen eines Wasserhahns. ORP (ausgedrückt in Millivolt, mV) ist ein Maß für die Tendenz einer chemischen Spezies, Elektronen von einer Elektrode aufzunehmen (oder Elektronen an diese abzugeben) und dadurch reduziert bzw. oxidiert zu werden [1]. Dieser Parameter kann verwendet werden, um den Zustand chemischer Spezies in verschiedenen Probenmatrizes vorherzusagen, die Wasserqualität zu überwachen, Fermentationsprozesse zu steuern und die Abwasserbehandlung zu optimieren, um zu verhindern, dass höhere Konzentrationen von Substanzen freigesetzt werden, als die gesetzlichen Grenzwerte zulassen. Die Messung von ORP-Werten ist eine laufende Operation in vielen Industriebereichen, die eine Verbesserung der derzeit verfügbaren Instrumentierung erfordern, um ihre Prozesse zu erleichtern.
ORP-Bedeutung im Bereich der Wasserchlorung
1854 kam es zu einem öffentlichen Gesundheitsnotstand, als mehr als 600 Menschen innerhalb eines Monats an den Folgen eines Cholera-Ausbruchs in einem Gebiet von kaum einem halben Kilometer Durchmesser in London starben. John Snow, ein englischer Arzt, sprach mit den Anwohnern und erstellte eine Karte, die das Auftreten von Cholera in der Gegend veranschaulicht. Er identifizierte die Quelle des Ausbruchs als die öffentliche Wasserpumpe, die Trinkwasser aus einem mit Exkrementen kontaminierten Brunnen lieferte. Durch Entfernen des Pumpengriffs wurde der kontaminierte Brunnen von der weiteren Nutzung abgehalten und der Ausbruch beendet. Durch seine Forschung wurde John Snow zu einem der Begründer der modernen Epidemiologie, wodurch die Bedeutung der Wasseraufbereitung für den menschlichen Konsum zu wachsen begann.
LKW mit Wasserreinigungsgerät zur Bereitstellung von sauberem Trinkwasser für Truppen während des Krieges (Erster Weltkrieg). Es ist mehr als ein Jahrhundert her, seit die ersten mobilen Wasseraufbereiter erfunden wurden. Sie liefern weiterhin sauberes Wasser für Bewohner von Entwicklungsländern und Katastrophengebieten sowie für Militärangehörige und Arbeiter an abgelegenen Orten.
Die Trinkwasserqualität ist eindeutig ein kritisches Anliegen der öffentlichen Gesundheit. Wenn man sich auf die Wasserqualität aus öffentlichen Brunnen und Brunnen nicht verlassen kann, wie kann man dann keimfreies Trinkwasser für Tausende (oder Millionen) Menschen in Städten anbieten? Was ist andererseits mit ländlichen oder wilden Gebieten, in denen sauberes Wasser nicht immer leicht zugänglich ist? Die Antwort auf diese Fragen liegt im Prozess der Wasseraufbereitung durch Chlorung.
In seiner elementaren Form ist Chlor (Cl2) ist ein giftiges Gas. Bei Zugabe zu Wasser wird Cl2 verursacht Veränderungen in bakteriellen Zellwänden und zerstört darin enthaltene Proteine und DNA. Das ist der Mechanismus, durch den Chlor Mikroorganismen abtötet – es beeinträchtigt ihre lebenswichtigen Funktionen bis zu ihrem Absterben und macht sie unfähig, Krankheiten zu übertragen. Durch die Zugabe von Chlor zur Desinfektion von kommunalen Wassersystemen wird das Risiko, sich mit ansteckender Cholera, Typhus, Ruhr und Polio zu infizieren, minimiert.
Die Chlorierung von Wasser kann mit elementarem Chlorgas durchgeführt werden, obwohl es viel sicherer ist, flüssiges Natriumhypochlorit oder festes Calciumhypochlorit zu verwenden. Diese Verbindungen chlorieren Wasser, indem sie restliches «freies Chlor» erzeugen, das krankheitserregende Keime angreift und das Chlordesinfektionsverfahren vielseitiger und benutzerfreundlicher macht.
Sie fragen sich vielleicht, da Chlor ein giftiges Element ist, gibt es eine Methode, um zu kontrollieren, wie viel davon dem Wasser zugesetzt wird? Die Messung des Oxidations-Reduktions-Potentials (ORP) bietet eine zuverlässige Lösung für dieses Problem.
Das Messkonzept mit ORP-Sensoren
ORP quantifiziert die Fähigkeit einer Substanz, eine andere Substanz zu oxidieren oder zu reduzieren. Beispielsweise zieht es ein Oxidationsmittel vor, Elektronen von einer anderen Substanz zu stehlen, wodurch es negativer geladen wird und die andere Substanz positiv auflädt. Dieser Vorgang erzeugt ein nachweisbares Potential zwischen den beiden Substanzen.
In der Praxis ist ORP die direkte Messung von Elektronen, die während Oxidations-Reduktions-Reaktionen unterwegs sind. Daher bewertet ORP die Kapazität einer Lösung für den Elektronentransfer (Oxidation oder Reduktion) und wird in Millivolt (mV) gemessen. Dies bedeutet, dass die in die Lösung eingetauchte Arbeitselektrode unter oxidativen Bedingungen Elektronen verliert, wodurch ein positives Potential entsteht. Im Gegensatz dazu fließen in einer reduzierenden Umgebung Elektronen von der Lösung zur Arbeitselektrode und erzeugen ein negatives Potential. Während ein Reduktionsmittel ein Elektron verliert, kann das Oxidationsmittel ein Elektron aufnehmen. Man kann also sagen, dass starke Reduktionsmittel zu einem negativeren ORP-Wert führen, während stärkere Oxidationsmittel zu einem positiveren ORP-Wert führen. Dieses Konzept ist unten dargestellt.
Veranschaulichung des Redoxreaktionskonzepts und seiner Beziehung zum ORP. Je mehr Oxidationsmittel der Lösung zugesetzt wird, desto höher ist der ORP-Wert.
Das Ziel eines ORP-Sensors ist es, diese kleinen erzeugten Potentialunterschiede zu messen. Dies wird durch einen Stromkreis ermöglicht, der aus einer Arbeitselektrode (dem positiven Pol des Stromkreises, normalerweise aus einem inerten Material, z. B. Platin oder Gold) und einer in die Lösung eingetauchten Referenzelektrode (dem negativen Pol) besteht. Die Höhe des erzeugten Millivolt-Potentials hängt von der Konzentration der Oxidationsmittel und Reduktionsmittel in der getesteten Lösung ab.
Zurück zur Diskussion von Chlorung und Redox: Eine ausreichende Wasserdesinfektion ist nur möglich, wenn eine bestimmte Menge an Chlorkonzentration erreicht wird. In Anbetracht der Tatsache, dass ein hoher Chlorgehalt für das menschliche Leben giftig sein kann, ist es wichtig, den ORP-Wert des Wassers während des Betriebs genau zu kontrollieren Chlordesinfektionsverfahren.
Das einfache Waschen von Salat kann gefährlich sein und wird an Orten, an denen die Wasserversorgung nicht gechlort wird, nicht empfohlen.
Das Vorhandensein eines oxidierenden Mikrobiozids (z. B. Chlor) erzeugt eine oxidierende Umgebung und induziert daher einen hohen ORP-Wert. Dies steht im Gegensatz zu reduzierenden Umgebungen mit niedrigeren ORP-Werten, in denen sich normalerweise Keime vermehren. Das Halten des ORP im Wasser unter Kontrolle macht die Chlorierung zu einem sichereren Verfahren. 1971 erklärte die Weltgesundheitsorganisation (WHO), dass „ein Redoxpotential von 650 mV (gemessen zwischen Platin- und Standard-Kalomel-Referenzelektroden) eine fast sofortige Inaktivierung selbst hoher Viruskonzentrationen bewirkt“ [2]. Dieser Wert wurde später als Mindest-ORP-Wert für die Sicherheit des Menschen empfohlen und in die Gesetzgebung öffentlicher Schwimmbäder und Heilbäder aufgenommen.
In den letzten Jahren hat elektrolysiertes Wasser (EW) in der Lebensmittelindustrie in vielen Ländern als Desinfektionsmittel an Popularität gewonnen. Obwohl diese Technologie seit mehr als 40 Jahren existiert, haben sich Unternehmen, die solche Lösungen herstellen, erst vor kurzem dem globalen Markt genähert. Dieses Desinfektionsmittel auf Chlorbasis ist das Produkt der Elektrolyse von verdünnter Natriumchloridlösung (NaCl), die in saures Elektrolysewasser (ORP-Wert >1100 mV) und basisches Elektrolysewasser (ORP-Wert zwischen -800 und -900 mV) dissoziiert. Indem diese Technologie allgemein zugänglich gemacht wird, Chlordesinfektion der Wasserversorgung rettet weiterhin Leben an Orten, an denen die Technologie ziemlich weit entwickelt ist [3].
Anwendungsbeispiele – ORP-Überwachung in realen Situationen
Das am Anfang dieses Artikels vorgestellte Beispiel über die Trinkwasserqualität und ihre Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit ist nur einer von unzähligen Prozessen, die unser tägliches Leben betreffen, wo die Kontrolle der ORP-Werte notwendig ist. Nachfolgend finden Sie eine Auswahl davon, gefolgt von einer Grafik, die ORP-Kontrollbereiche für viele Arten von industriellen Prozessen zeigt.
Beispiel Aquakultur: eine Fischfarm in Norwegen.
ORP-Werte in Meerwasser liegen bei etwa 400 mV, während Mineralwasser einen Wert von etwa 250 mV hat. Ähnlich wie beim Wasser in heißen Quellen, Spas oder Schwimmbädern können niedrigere ORP-Werte im Meer mit unkontrollierter mikrobiologischer Aktivität und höhere Werte mit Oxidationsmittelverunreinigung zusammenhängen. Dies ist einer der Gründe, warum Aquakultur- und Fischzuchtbetriebe nicht nur auf den pH-Wert der Medien, sondern auch auf die ORP-Messung besonders achten müssen.
Altern ist einfach das Ergebnis der Anhäufung von molekularen und zellulären Schäden im Laufe der Zeit. Auf diese Weise spielt oxidativer Stress eine entscheidende Rolle bei der Entstehung altersbedingter Krankheiten wie Arthritis, Diabetes, Demenz oder sogar Krebs. Daher ist die Begrenzung unserer Exposition gegenüber Oxidationsmitteln nicht nur ein kosmetisches Anliegen, sondern auch wichtig für unsere langfristige Gesundheit.
Oxidativer Stress ist ein Phänomen, das durch ein Ungleichgewicht zwischen der Produktion und Akkumulation reaktiver Sauerstoffspezies in Zellen und Geweben hervorgerufen wird. Obwohl biologische Systeme diese Reaktionsprodukte auf natürliche Weise entgiften können, können Krankheiten oder das Vorhandensein von Schadstoffen das Gleichgewicht stören. Diese Störung kann mit ORP-Messungen überwacht werden, wodurch oxidativer Stress und seine Auswirkungen erkannt werden können. Dazu können Probleme wie männliche Unfruchtbarkeit [5], Entwicklung von Hirnläsionen [6] und bei Patienten mit Myokardinfarkt, Sepsis oder multiplen Traumata [7].
Oxidativer Stress und Schadstoffe können Zellen, Proteine und Nukleinsäuren schädigen und zur Alterung und schließlich zum Zelltod beitragen. Wird die Chlorung der Wasserversorgung nicht kontrolliert, kann der hohe Gehalt an Oxidationsmitteln unsere eigenen Zellen genauso schädigen wie krankheitserregende Keimpopulationen unter Kontrolle gehalten werden.
Schadstoffe sind nicht nur für die Förderung von oxidativem Stress in Zellen und Geweben verantwortlich, sie können auch mit vielen Krankheiten bei Mensch und Tier in Verbindung gebracht werden. Aus diesem Grund ist die ORP-Kontrolle in der Abwasserbehandlungsindustrie gut bekannt, wo eine beträchtliche Anzahl von biologischen Prozessen kontrolliert werden muss. Biochemische Reaktionen, die von Mikroorganismen durchgeführt werden, müssen innerhalb eines bestimmten ORP-Bereichs gehalten werden, um die gewünschten biologischen Sanierungsreaktionen zu fördern (z. B. diejenigen in Nitrifikations- oder Fermentationsprozessen).
Ein weiteres gutes Beispiel ist Abwasser aus der Metallbeschichtungsindustrie. Um die toxischen Wirkungen von Chrom und Cyanid zu überwinden, müssen die ORP-Werte im Abwasser mit diesen Verunreinigungen unter 250 mV bzw. über 450 mV liegen [8].
Diagramm, das die ORP-Kontrollbereiche mehrerer industrieller Prozesse zeigt, einschließlich Färben von Textilien, Fermentation sowie Wasser- und Abwasserbehandlung.
Siebgedruckte Elektroden sind Einweggeräte, die speziell für die Arbeit mit Mikroprobenvolumina entwickelt wurden.
ORP-Messung mit siebgedruckten Elektroden (SPEs)
ORP ist ein sehr nützlicher Parameter, der in vielen verschiedenen Situationen kontrolliert werden muss, wie in den vorherigen Abschnitten gezeigt. Dazu gehören industrielle Bereiche, in denen große Probenmengen im Freien gemessen werden müssen, bis hin zu Analysen im Labormaßstab, in denen minimale Mengen biologischer Proben getestet werden müssen.
Die Anwendungen der ORP-Messung sind sehr vielfältig und können komplex sein. Die Entwicklung von Instrumenten zur Erfüllung der Anforderungen in so vielen Bereichen ist nicht einfach, aber dank der Miniaturisierung von Geräten und der Entwicklung von Einwegsensoren (z. B. SPEs) jetzt viel besser möglich.
Die Vielzahl von Anforderungen aus mehreren Branchen, die ORP messen müssen, passen perfekt zu den folgenden Vorteilen, die durch die Verwendung von SPEs und miniaturisierten Instrumenten erzielt werden. Diese beinhalten Portabilität, Barrierefreiheit, Verfügbarkeit, kleine Stichprobengrößen, Und Zuverlässigkeit.
Diese Vorteile werden bei der Verwendung des ORP-Kits von Metrohm DropSens überdeutlich. Das ORP-Kit ist eine komplette All-in-One-Lösung zur Messung des Oxidations-Reduktions-Potentials. Dieses Kit enthält alle notwendigen Komponenten, um mit einer ORP-Analyse fortzufahren: ORPSTAT (das Hauptinstrument), ORPSEN (Einwegsensoren) und ORPSTD (Redox-Standardlösung).
Das gebrauchsfertige ORP-Kit von Metrohm DropSens enthält alle notwendigen Komponenten zur Durchführung einer In-situ-ORP-Analyse – einen tragbaren batteriebetriebenen Potentiostaten mit internem Speicher, Einwegsensoren und eine Redox-Standardlösung.
- Portabilität ist für Feldmessungen zwingend erforderlich. Dank der Miniaturisierung bieten Potentiostaten wie der ORPSTAT eine benutzerfreundliche Schnittstelle, bei der der ORP-Wert der Probe einfach auf einem LCD-Display überprüft werden kann. Dieses tragbare Gerät, das mit einem Lithium-Ionen-Akku betrieben wird, ist mit 9,0 × 6,0 × 2,5 cm (L × B × T) kompakt und handlich und wiegt nur 100 g.
- Barrierefreiheit zu den Daten ist notwendig, um eine große Anzahl von ORP-Werten untersuchen zu können, insbesondere wenn ein Screening im Labor oder Probenahmen im Feld erforderlich sind. Das ORP Kit von Metrohm DropSens ermöglicht Benutzern nicht nur die Überprüfung der Ergebnisse auf dem LCD-Display, sondern bietet auch eine interne Datenspeicherung. Alle erhaltenen ORP-Werte werden im internen Speicher des Geräts gespeichert und können für weiteren Zugriff und Auswertung auf einen PC heruntergeladen werden.
- Verfügbarkeit erleichtert die Verwendung des Instruments und der Einrichtungen bei der Handhabung komplexer Proben. Das Metrohm DropSens ORP-Kit ist das am besten geeignete System zur Durchführung von In-situ-ORP-Messungen mit Proben, die teuer, knapp oder gefährlich sind (z. B. biologische Proben oder Abwasser). Die Messung mit Einwegsensoren (ORPSEN SPEs) bietet dem Benutzer den Vorteil, dass die ORP-Sonde nach der Messung solcher Proben nicht gereinigt werden muss. Dies ist besonders nützlich im industriellen Bereich, wo üblicherweise komplexe wässrige Matrizes getestet werden.
- Kleine Stichprobengröße Anforderungen bedeuten, dass weniger Proben benötigt werden, was besonders nützlich ist, wenn biologische Flüssigkeiten getestet werden. Die Miniaturisierung bietet Benutzern nicht nur Portabilität bei der Diskussion des ORP-Instruments, sondern dank der ORPSEN SPEs sind nur 60 µL Probenvolumen erforderlich, um dezentrale oder „Point of Care“ (PoC)-Testassays durchzuführen.
- Zuverlässigkeit ist eine wünschenswerte Eigenschaft in jeder Art von Sensor, aber zwingend für ORP, da genaue Bereiche genau kontrolliert werden müssen. ORPSEN-Elektroden sind in der Lage, ORP-Werte mit ausreichender Genauigkeit zu messen, um die Anforderungen in mehreren Anwendungsbereichen zu erfüllen. Zusätzlich ist bei diesen Sensoren auch eine Redox-Standardlösung (ORPSTD) zur Überprüfung der Genauigkeit von ORP-Messungen enthalten.
Zusammenfassung
Die Arbeit mit einem miniaturisierten Potentiostaten ermöglicht einfachere ORP-Messungen vor Ort, während die Verwendung von siebgedruckten Einwegelektroden solche Messungen unter unhygienischen Bedingungen oder unter Umständen ermöglicht, in denen herkömmliche Elektroden oder andere Systeme nicht ausreichend poliert oder gereinigt werden können. Metrohm DropSens präsentiert ein komplettes Kit für die zuverlässige, einfach anzuwendende und reproduzierbare Messung von ORP: das ORP-Kit.
Die Siebdrucktechnologie gibt Benutzern die Möglichkeit, in Bereichen wie Umweltprüfungen, Agrarlebensmitteln, Biotechnologie und der Qualitätskontrolle industrieller Prozesse zu arbeiten. Darüber hinaus eignet sich diese Technologie hervorragend für biomedizinische Forschungsstudien, bei denen Proben teuer, knapp oder gefährlich sein können und wenn nur ein sehr kleines Probenvolumen erforderlich ist. Darüber hinaus erfordern diese Sensoren keine Wartungs- oder Reinigungsverfahren, da sie nach Abschluss eines Assays entsorgt werden können, was ihre Verwendung in allen Arten von Forschung erleichtert.
[1] Reduktionspotential. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Reduktionspotential&oldid=1144568308 (abgerufen am 23.03.2023).
[2] Weltgesundheitsorganisation. Internationale Standards für Trinkwasser (3. Ausgabe); 1971; Vol. 87. https://apps.who.int/iris/handle/10665/39989
[3] Hricova, D.; Stephan, R.; Zweifel, C. Elektrolysiertes Wasser und seine Anwendung in der Lebensmittelindustrie. Zeitschrift für Lebensmittelschutz 2008, 71 (9), 1934–1947. DOI:10.4315/0362-028X-71.9.1934
[4] Okuchi, S.; Suzuki, M.; Sugano, K.; et al. Für den menschlichen Körper wünschenswertes Wasser in Bezug auf das Oxidations-Reduktionspotential (ORP) zum PH-Verhältnis. Zeitschrift für Lebensmittelwissenschaft 2002, 67 (5), 1594–1598. DOI:10.1111/j.1365-2621.2002.tb08689.x
[5] Agarwal, A.; Bui, A. D. Oxidations-Reduktions-Potenzial als neuer Marker für oxidativen Stress: Korrelation mit männlicher Unfruchtbarkeit. Investigative und klinische Urologie 2017, 58 (6), 385–399. DOI:10.4111/icu.2017.58.6.385
[6] Bjugstad, K. B.; Rael, L. T.; Levy, S.; et al. Oxidations-Reduktions-Potenzial als Biomarker für Schweregrad und akutes Outcome bei traumatischen Hirnverletzungen. Oxidative Medizin und zelluläre Langlebigkeit 2016, 2016. DOI:10.1155/2016/6974257
[7] Bar-Or, D.; Bar-Or, R.; Rael, L. T.; et al. Oxidativer Stress bei schwerer akuter Erkrankung. Redox-Biologie 2015, 4, 340–345. DOI:10.1016/j.redox.2015.01.006
[8] Grau, D. M.; Jaina, R. R.; Meier, R. H. ORP-Kontrollen. Instrument Engineers Handbook, Vierte Auflage: Prozesskontrolle und -optimierung 2005, 2 (1985), 2032–2043. DOI:10.1016/b978-0-7506-2255-4.50131-8
[9] Killeen, D. J.; Boulton, R.; Knoesen, A. Fortschrittliche Überwachung und Kontrolle des Redoxpotentials bei der Weinfermentation. Amerikanisches Journal für Önologie und Weinbau 2018, 69 (4), 394–399. DOI:10.5344/ajev.2018.17063
[10] Mitacek, R. M.; Taste.; Preni, J. E.; et al. Mitochondriale Degeneration, Abbau von NADH und oxidativer Stress verringern die Farbstabilität von Wet-Aged Beef Longissimus Steaks. Zeitschrift für Lebensmittelwissenschaft 2019, 84 (1), 38–50. DOI:10.1111/1750-3841.14396
[11] Topcu, A.; McKinnon, I.; Mc Sweeney, P. L. H. Messung des Oxidations-Reduktions-Potentials von Cheddar-Käse. Zeitschrift für Lebensmittelwissenschaft 2008, 73 (3). DOI:10.1111/j.1750-3841.2008.00692.x
