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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 hat man sich zunehmend mit der Verwendung von Antioxidantien beschäftigt, um eine bessere Lebensqualität zu erreichen. Ein Beispiel dafür ist Wasser, mit einer geringer oxidierenden Wirkung als normales Leitungswasser. Die Nachfrage nach diesem speziellen Wasser ist in den letzten Jahren gestiegen. Es wird unter anderem in Getränken, Lebensmitteln, Bädern, künstlichen Körperflüssigkeiten, Kosmetika und Hautpflegeprodukten verwendet [4].
Das Oxidations-Reduktions-Potential (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 dazu verwendet werden, um den Zustand chemischer Spezies in verschiedenen Probenmatrizes vorherzusagen, die Wasserqualität zu überwachen, Fermentationsprozesse zu kontrollieren und die Abwasserbehandlung zu optimieren, wodurch verhindert wird, dass höhere Stoffkonzentrationen freigesetzt werden, als die gesetzlichen Grenzwerte zulassen. Die Messung von ORP-Werten ist ein fortlaufender Vorgang in vielen Industriebereichen, der eine Verbesserung der derzeit verfügbaren Instrumentierung erfordert, um den Messprozess zu erleichtern.
ORP-Bedeutung im Bereich der Wasserchlorung
Im Jahr 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 einem knappen halben Kilometer Durchmesser in London starben. John Snow, ein englischer Arzt, sprach mit den Anwohnern und erstellte eine Karte, auf der die Cholera-Vorkommen in diesem Gebiet verzeichnet waren. Er identifizierte als Quelle des Ausbruchs die öffentliche Wasserpumpe, die Trinkwasser aus einem mit Exkrementen kontaminierten Brunnen lieferte. Durch das Entfernen des Pumpengriffs wurde die weitere Nutzung des verseuchten Brunnens verhindert und somit der Ausbruch der Cholera beendet. Dank seiner Forschungen wurde John Snow zu einem der Begründer der modernen Epidemiologie, und in der Folge wuchs die Bedeutung der Wasseraufbereitung für den menschlichen Konsum.
LKW mit Wasseraufbereitungsanlage zur Versorgung der Truppen mit sauberem Trinkwasser in Kriegszeiten (Erster Weltkrieg). Es ist mehr als ein Jahrhundert her, seit die ersten mobilen Wasseraufbereiter erfunden wurden. Sie liefern auch heute noch sauberes Wasser für die Bewohner von Entwicklungsländern und Katastrophengebieten sowie für Militärpersonal und Arbeiter an abgelegenen Orten.
Die Trinkwasserqualität ist eindeutig ein kritisches und wichtiges Anliegen der öffentlichen Gesundheit. Wenn man sich auf die Wasserqualität aus öffentlichen Brunnen nicht verlassen kann, wie soll es dann möglich sein, keimfreies Trinkwasser für Tausende (oder Millionen) von Menschen in Städten anzubieten? Wie sieht es wiederum in ländlichen Gebieten oder in der Wildnis aus, wo sauberes Wasser nicht immer ohne weiteres 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. Wenn es dem Wasser zugesetzt wird, verursacht Cl2 Veränderungen in den bakteriellen Zellwänden und zerstört die darin enthaltenen Proteine und DNA. So funktioniert der Mechanismus, durch den Chlor Mikroorganismen abtötet – es beeinträchtigt ihre lebenswichtigen Funktionen, bis sie absterben und nicht mehr in der Lage sind, Krankheiten zu verbreiten. Durch die Zugabe von Chlor zur Desinfektion kommunaler Wassersysteme wird das Risiko einer Ansteckung mit Cholera, Typhus, Ruhr und Polio minimiert.
Die Chlorierung von Wasser kann mit elementarem Chlorgas durchgeführt werden, viel sicherer ist jedoch die Verwendung von flüssigem Natriumhypochlorit oder festem Calciumhypochlorit. Diese Verbindungen chlorieren das Wasser, indem sie "freies Chlor" erzeugen, das Krankheitskeime angreift und so den Desinfektionsprozess mit Chlor vielseitiger und benutzerfreundlicher macht.
Da Chlor ein giftiges Element ist, fragen Sie sich vielleicht, ob es eine Methode gibt, um zu kontrollieren, wie viel davon dem Wasser zugesetzt wird? Die Messung des Oxidations-Reduktions-Potenzials (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. Ein Oxidationsmittel zieht es beispielsweise vor, Elektronen von einer anderen Substanz zu stehlen, wodurch es selbst negativer geladen wird und die andere Substanz positiv auflädt. Dieser Vorgang erzeugt ein nachweisbares Potential zwischen den beiden Substanzen.
In der Praxis ist das ORP die direkte Messung von Elektronen, die bei Oxidations-Reduktions-Reaktionen übertragen werden. Daher bewertet das ORP die Fähigkeit einer Lösung zur Elektronenübertragung (Oxidation oder Reduktion) und wird in Millivolt (mV) gemessen. Das bedeutet, dass unter oxidativen Bedingungen die in die Lösung eingetauchte Arbeitselektrode Elektronen verliert, wodurch ein positives Potenzial entsteht. Im Gegensatz dazu fließen in einer reduzierenden Umgebung Elektronen von der Lösung zur Arbeitselektrode und erzeugen dabei 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 wird im Folgenden veranschaulicht.
Veranschaulichung des Prinzips der Redoxreaktion 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 Potentialunterschiede zu messen. Ermöglicht wird dies durch einen Stromkreis, der aus einer Arbeitselektrode (dem positiven Pol des Stromkreises, in der Regel ein inertes Material, z. B. Platin oder Gold) und einer Referenzelektrode (dem negativen Pol) besteht, die in die Lösung eingetaucht sind. Die Höhe des erzeugten Millivolt-Potentials hängt von der Konzentration der Oxidationsmittel und Reduktionsmittel in der untersuchten Lösung ab.
Zurück zur Diskussion bezüglich Chlorung und ORP: Eine ausreichende Wasserdesinfektion ist nur möglich, wenn eine bestimmte Chlorkonzentration erreicht wird. In Anbetracht der Tatsache, dass hohe Chlorkonzentrationen für den Menschen giftig sein können, ist es wichtig, den ORP-Wert des Wassers während des Chlordesinfektionsprozesses genau zu kontrollieren.
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 damit ein hohes ORP-Niveau. Dies steht im Gegensatz zu reduzierenden Umgebungen mit niedrigeren ORP-Werten, in denen sich Keime normalerweise vermehren. Die kontrollierte Aufrechterhaltung des ORP-Wertes im Wasser macht die Chlorung zu einem sichereren Verfahren. 1971 erklärte die Weltgesundheitsorganisation (WHO), dass „ein Redoxpotential von 650 mV (gemessen zwischen Platin- und Standard-Kalomel-Referenzelektrode) 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 Schwimm- und Heilbäder aufgenommen.
In den letzten Jahren hat elektrolysiertes Wasser (EW) als Desinfektionsmittel in der Lebensmittelindustrie in vielen Ländern an Popularität gewonnen. Obwohl diese Technologie bereits seit über 40 Jahren existiert, sind Unternehmen, die solche Lösungen herstellen, erst seit kurzem auf dem Weltmarkt vertreten. Dieses Desinfektionsmittel auf Chlorbasis ist das Produkt der Elektrolyse einer verdünnten Natriumchlorid (NaCL)-Lösung, 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, kann die Chlordesinfektion der Wasserversorgung dort, wo sie relativ weit entwickelt ist, weiterhin Leben retten [3].
Anwendungsbeispiele – ORP-Überwachung in realen Situationen
Das zu Beginn 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 und bei denen 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 für Aquakultur: eine Fischfarm in Norwegen.
ORP-Werte in Meerwasser liegen bei etwa 400 mV, während Mineralwasser einen Wert von etwa 250 mV aufweist. Ähnlich wie beim Wasser in heißen Quellen, Heil- oder Schwimmbädern, können niedrigere ORP-Werte im Meer auf eine unkontrollierte mikrobiologische Aktivität und höhere Werte auf eine Verunreinigung durch Oxidationsmittel zurückzuführen sein. Dies ist ein Grund, warum Aquakultur- und Fischzuchtbetriebe nicht nur auf den pH-Wert der Medien, sondern auch auf die ORP-Messung besonders achten müssen.
Altern ist 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 Oxidantien 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 von reaktiven Sauerstoffspezies in Zellen und Geweben hervorgerufen wird. Obwohl biologische Systeme diese reaktiven Produkte auf natürliche Weise entgiften können, kann dieses Gleichgewicht durch Krankheiten oder Schadstoffe gestört werden. Diese Störung kann mit Hilfe von ORP-Messungen überwacht werden, so dass oxidativer Stress und seine Auswirkungen erkannt werden können. Dazu gehören Probleme wie männliche Unfruchtbarkeit [5] sowie Entwicklung von Hirnläsionen [6] und bei Patienten mit Myokardinfarkt, Sepsis oder verschiedene Arten von Traumata [7].
Oxidativer Stress und Schadstoffe können Zellen, Proteine als auch Nukleinsäuren schädigen und so zur Alterung und schließlich zum Zelltod beitragen. Wird die Chlorung der Wasserversorgung nicht kontrolliert, kann der hohe Gehalt an Oxidationsmitteln unsere eigenen Zellen auf die gleiche Weise schädigen wie die Populationen krankmachender Keime unter Kontrolle gehalten werden.
Schadstoffe sind nicht nur für die Förderung von oxidativem Stress in Zellen und Geweben verantwortlich, sondern können auch mit zahlreichen Krankheiten bei Mensch und Tier in Verbindung gebracht werden. Aus diesem Grund ist die ORP-Kontrolle in der Abwasseraufbereitungsindustrie, in der eine beträchtliche Anzahl biologischer Prozesse gesteuert werden muss, gut bekannt. Biochemische Reaktionen, die von Mikroorganismen durchgeführt werden, müssen innerhalb eines bestimmten ORP-Bereichs gehalten werden, um die gewünschten Bioremidationsreaktionen zu unterstützen (z. B. bei in Nitrifikations- oder Fermentationsprozessen).
Ein weiteres gutes Beispiel sind Abwässer aus der Metallbeschichtungsindustrie. Um die toxischen Wirkungen von Chrom und Cyanid zu unterbinden, müssen die ORP-Werte in Abwässern mit diesen entsprechenden Verunreinigungen unter 250 mV bzw. über 450 mV liegen [8].
Diagramm, das die ORP-Kontrollbereiche verschiedener industrieller Prozesse zeigt, einschließlich Färben von Textilien, Fermentation sowie Wasser- und Abwasserbehandlung.
Siebgedruckte Elektroden sind Einweg-Sensoren, die speziell für die Arbeit mit Probenvolumina im µL-Bereich entwickelt wurden.
ORP-Messung mit siebgedruckten Elektroden (SPEs)
Wie in den vorangegangenen Abschnitten gezeigt wurde, ist das ORP ein sehr nützlicher Parameter, der in vielen verschiedenen Situationen kontrolliert werden muss. Dazu gehören industrielle Bereiche, in denen große Mengen an Proben in offenen Bereichen gemessen werden müssen, bis hin zu Analysen im Labormaßstab, in denen minimale Mengen an biologischen Proben getestet werden müssen.
Die Verwendungszwecke der ORP-Messung sind sehr vielfältig und können komplex sein. Es ist nicht einfach, Messgeräte zu entwickeln, die den Anforderungen in so vielen Bereichen gerecht werden, aber dank der Miniaturisierung der Messgeräte und der Entwicklung von Einwegsensoren (z. B. SPEs) wurde dies jetzt deutlich vereinfacht.
Die zahlreichen Anforderungen verschiedener Branchen, die das ORP messen müssen, passen perfekt zu den folgenden Vorteilen, die sich aus der Verwendung von SPEs und miniaturisierten Messgeräten ergeben. Dazu gehören Portabilität, Zugang, Praktikabilität, kleine Probenmengen und Zuverlässigkeit.
Diese Vorteile werden bei der Verwendung des ORP-Kits von Metrohm DropSens mehr als deutlich. Das ORP-Kit ist eine komplette All-in-One-Lösung zur Messung des Oxidations-Reduktions-Potentials. Dieses Kit enthält alle notwendigen Komponenten, für eine ORP-Analyse: ORPSTAT (das Hauptgerät), 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 Messungen vor Ort ein Muss. Dank der Miniaturisierung bieten Potentiostaten wie der ORPSTAT ein benutzerfreundliches Interface, bei dem der ORP-Wert der Probe einfach auf einem LCD-Display abgelesen werden kann. Dieses tragbare, mit einem Lithium-Ionen-Akku betriebene Gerät, ist mit 9,0 × 6,0 × 2,5 cm (L × B × T) kompakt, handlich und wiegt nur 100 g.
- Der Zugang zu den Daten ist notwendig, um eine große Anzahl von ORP-Werten untersuchen zu können, insbesondere wenn ein Screening im Labor oder eine Probenahme im Feld erforderlich ist. Das ORP-Kit von Metrohm DropSens ermöglicht Benutzern nicht nur die Überprüfung der Ergebnisse auf dem LCD-Display, sondern auch eine interne Datenspeicherung. Alle ermittelten ORP-Werte werden im internen Speicher des Geräts gespeichert und können für den weiteren Zugriff als auch zur Auswertung auf einen PC heruntergeladen werden.
- Die Praktikabilität erleichtert die Verwendung des Messgerätes samt Ausrüstung bei der Handhabung komplexer Proben. Das Metrohm DropSens ORP-Kit ist das am besten geeignete System zur Durchführung von In-situ-ORP-Messungen mit teuren, seltenen oder gefährlichen Proben (z. B. biologische Proben oder Abwasser). Die Messung mit Einwegsensoren (ORPSEN SPEs) bietet dem Anwender den Vorteil, dass die ORP-Sonde nach der Messung solcher Proben nicht gereinigt werden muss. Dies ist besonders im industriellen Bereich nützlich, wo häufig komplexe wässrige Matrizes getestet werden.
- Die Auslegung auf kleinen Probenmengen ist besonders bei der Untersuchung von biologischen Flüssigkeiten von Vorteil. Die Miniaturisierung bietet den Anwendern nicht nur Portabilität, wenn es um das ORP-Gerät geht, sondern dank der ORPSEN-SPEs sind nur 60 µL Probenvolumen erforderlich, um dezentrale oder „Point of Care“ (PoC)-Tests durchzuführen.
- Zuverlässigkeit ist eine wünschenswerte Eigenschaft für jede Art von Sensor, aber zwingend erforderlich für das ORP, da genau definierte Bereiche präzise kontrolliert werden müssen. ORPSEN-Elektroden sind in der Lage, ORP-Werte mit ausreichender Genauigkeit zu messen, um die Anforderungen in verschiedenen Anwendungsbereichen zu erfüllen. Darüber hinaus liegt diesen Sensoren eine Redox-Standardlösung bei (ORPSTD), zur Überprüfung der Genauigkeit der ORP-Messungen.
Zusammenfassung
Die Arbeit mit einem miniaturisierten Potentiostaten ermöglicht einfachere ORP-Messungen vor Ort, während die Verwendung von siebgedruckten Einwegelektroden solche Messungen auch 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 des ORP: das ORP-Kit.
Die Siebdrucktechnologie bietet Anwendern 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 nur ein sehr kleines Probenvolumen gefordert wird. Zudem erfordern diese Sensoren keine Wartungs- oder Reinigungsverfahren, da sie nach Abschluss eines Tests entsorgt werden können, was ihren Einsatz in allen Forschungsbereichen 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
