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Mantener niveles estables de ORP también juega un papel especial en la correcta funcionalidad de nuestros cuerpos, ya que el metabolismo depende de un mecanismo preciso de sistemas redox interrelacionados. En las últimas décadas, ha habido una creciente preocupación por el uso de antioxidantes para lograr una mejor calidad de vida. Un ejemplo de esto es el agua que exhibe una naturaleza menos oxidante que la del agua del grifo normal. La demanda de esta agua especializada ha crecido en los últimos años para su uso en bebidas, alimentos, baños, fluidos corporales artificiales, cosméticos, productos para el cuidado de la piel y otros fines [4].
El potencial de oxidación-reducción (ORP), también conocido como potencial redox, afecta muchas de nuestras rutinas diarias, como simplemente abrir el grifo de un grifo. ORP (expresado en milivoltios, mV) es una medida de la tendencia de una especie química a adquirir electrones (o perder electrones) de un electrodo y, por lo tanto, reducirse u oxidarse, respectivamente [1]. Este parámetro se puede utilizar para predecir los estados de especies químicas en varias matrices de muestra, monitorear la calidad del agua, controlar los procesos de fermentación y optimizar el tratamiento de aguas residuales para evitar la liberación de concentraciones de sustancias más altas que las permitidas por los límites reglamentarios. La medición de los valores de ORP es una operación continua en muchos sectores industriales que requieren la mejora de la instrumentación actualmente disponible para facilitar sus procesos.
Importancia del ORP en el ámbito de la cloración del agua
Una emergencia de salud pública surgió en 1854 cuando más de 600 personas murieron en un mes como consecuencia de un brote de cólera en un área de apenas medio kilómetro de diámetro en Londres. John Snow, un médico inglés, habló con los residentes locales y creó un mapa que ilustra los casos de cólera en el área. Identificó la fuente del brote como la bomba de agua pública que abastecía de agua potable de un pozo contaminado con excrementos. Al quitar el mango de la bomba, se evitó que el pozo contaminado siguiera usándose y se puso fin al brote. Debido a su investigación, John Snow se convirtió en uno de los fundadores de la epidemiología moderna y, como resultado, la importancia del tratamiento del agua para el consumo humano comenzó a crecer.
Camión con aparato de purificación de agua para proporcionar agua potable limpia a las tropas durante la guerra (Primera Guerra Mundial). Ha pasado más de un siglo desde que se inventaron los primeros purificadores de agua móviles. Continúan suministrando agua limpia a los habitantes de países en desarrollo y áreas de desastre, así como al personal militar y trabajadores en lugares remotos.
La calidad del agua potable es claramente un problema crítico de salud pública. Si no se puede confiar en la calidad del agua de los pozos y fuentes públicos, ¿cómo es posible ofrecer agua potable libre de gérmenes a miles (o millones) de personas en las ciudades? Por otro lado, ¿qué pasa con las áreas rurales o silvestres donde el agua limpia no siempre es fácilmente accesible? La respuesta a estas preguntas está en el proceso de tratamiento del agua por cloración.
En su forma elemental, el cloro (Cl2) es un gas tóxico. Cuando se agrega al agua, Cl2 provoca alteraciones en las paredes de las células bacterianas, destruyendo las proteínas y el ADN que contiene. Este es el mecanismo por el cual el cloro mata a los microorganismos: afecta sus funciones vitales hasta que mueren, haciéndolos incapaces de propagar enfermedades. Al agregar cloro para desinfectar los sistemas de agua municipales, se minimiza el riesgo de contraer cólera contagioso, tifus, disentería y polio.
La cloración del agua se puede hacer usando gas de cloro elemental, aunque es mucho más seguro usar hipoclorito de sodio líquido o hipoclorito de calcio sólido. Estos compuestos cloran el agua generando «cloro libre» residual que ataca a los gérmenes causantes de enfermedades y hace que el proceso de desinfección con cloro sea más versátil y fácil de usar.
Quizás se pregunte, dado que el cloro es un elemento tóxico, ¿existe algún método para controlar cuánto se agrega al agua? La medición del potencial de oxidación-reducción (ORP) ofrece una solución fiable a este problema.
El concepto de medición con sensores Redox
ORP cuantifica la capacidad de una sustancia para oxidar o reducir otra sustancia. Como ejemplo, un oxidante prefiere robar electrones de otra sustancia, haciéndola más cargada negativamente y cargando positivamente la otra sustancia. Este acto genera un potencial detectable entre las dos sustancias.
En términos prácticos, el ORP es la medida directa de los electrones en tránsito durante las reacciones de oxidación-reducción. Por lo tanto, ORP evalúa la capacidad de transferencia de electrones (oxidación o reducción) de una solución y se mide en milivoltios (mV). Esto significa que en condiciones oxidativas, el electrodo de trabajo sumergido en la solución pierde electrones, creando un potencial positivo. Por el contrario, en un ambiente reductor, los electrones fluyen desde la solución hacia el electrodo de trabajo, produciendo un potencial negativo. Mientras que un reductor pierde un electrón, el oxidante puede aceptar un electrón. Por lo tanto, se puede decir que los reductores fuertes dan como resultado un valor de ORP más negativo, mientras que los oxidantes más fuertes dan como resultado un valor de ORP más positivo. Este concepto se ilustra a continuación.
Ilustración del concepto de reacción redox y su relación con el ORP. Cuanto más oxidante se agrega a la solución, mayor es el valor de ORP.
El objetivo de un sensor ORP es medir estas pequeñas diferencias de potencial generadas. Esto es posible gracias a un circuito formado por un electrodo de trabajo (el polo positivo del circuito, generalmente hecho de un material inerte, por ejemplo, platino u oro) y un electrodo de referencia (el polo negativo) sumergidos en la solución. La cantidad de potencial de milivoltios creado depende de la concentración de oxidantes y reductores en la solución probada.
Volviendo a la discusión sobre la cloración y el ORP, la desinfección adecuada del agua solo es posible cuando se alcanza una cierta cantidad de concentración de cloro. Teniendo en cuenta que los altos niveles de cloro pueden ser tóxicos para la vida humana, es importante controlar con precisión el valor de ORP del agua durante la proceso de desinfección con cloro.
El simple proceso de lavar la lechuga puede ser peligroso y no se recomienda en lugares donde no se aplica cloración al suministro de agua.
La presencia de un microbicida oxidante (p. ej., cloro) crea un ambiente oxidante, lo que induce un alto nivel de ORP. Esto contrasta con los entornos reductores con valores de ORP más bajos, que es donde suelen proliferar los gérmenes. Mantener el ORP bajo control en el agua hace que la cloración sea un procedimiento más seguro. En 1971, la Organización Mundial de la Salud (OMS) afirmó que «Un potencial redox de 650 mV (medido entre electrodos de referencia de platino y calomelano estándar) provocará la inactivación casi instantánea incluso de altas concentraciones de virus» [2]. Posteriormente, este valor se recomendó como el nivel mínimo de ORP para la seguridad humana y se implementó en la legislación de piscinas y spas públicos.
En los últimos años, el agua electrolizada (EW) ha ganado popularidad en la industria alimentaria como desinfectante en muchos países. Aunque esta tecnología existe desde hace más de 40 años, las empresas que producen tales soluciones se han acercado al mercado global recientemente. Este desinfectante a base de cloro es el producto de la electrólisis de una solución diluida de cloruro de sodio (NaCl) que se disocia en agua electrolizada ácida (valor ORP >1100 mV) y agua electrolizada básica (valor ORP entre -800 y -900 mV). Al hacer que esta tecnología sea ampliamente accesible, desinfección con cloro del suministro de agua continúa salvando vidas en lugares donde la tecnología está bastante desarrollada [3].
Ejemplos de aplicación: monitoreo de ORP en situaciones de la vida real
El ejemplo presentado al comienzo de este artículo sobre la calidad del agua potable y su efecto en la salud pública es solo uno de los innumerables procesos que afectan nuestra vida diaria donde el control de los valores de ORP es necesario. A continuación se puede encontrar una selección de estos, seguidos de un gráfico que muestra los rangos de control de ORP para muchos tipos de procesos industriales.
Ejemplo de acuicultura: una piscifactoría en Noruega.
Las lecturas de ORP en agua de mar rondan los 400 mV, mientras que el agua mineral tiene un valor de alrededor de 250 mV. Al igual que el agua de fuentes termales, spas o piscinas, los valores más bajos de ORP en el mar pueden estar relacionados con una actividad microbiológica descontrolada, y los valores más altos podrían estar relacionados con la contaminación por oxidantes. Esta es una de las razones por las que las operaciones de acuicultura y piscicultura deben tener especial cuidado no solo con el pH de los medios, sino también con la medición del ORP.
El envejecimiento es simplemente el resultado de la acumulación de daño molecular y celular a lo largo del tiempo. De esta forma, el estrés oxidativo juega un papel crucial en el desarrollo de enfermedades relacionadas con la edad como la artritis, la diabetes, la demencia o incluso el cáncer. Por lo tanto, limitar nuestra exposición a los oxidantes no es solo una preocupación estética, sino también importante para nuestra salud a largo plazo.
El estrés oxidativo es un fenómeno provocado por un desequilibrio entre la producción y acumulación de especies reactivas de oxígeno en células y tejidos. Aunque los sistemas biológicos pueden desintoxicar naturalmente estos productos reactivos, la enfermedad o la presencia de contaminantes pueden alterar el equilibrio. Esta perturbación se puede monitorear con mediciones de ORP, lo que permite detectar el estrés oxidativo y sus efectos. Estos pueden incluir problemas como la infertilidad masculina [5], desarrollo de lesiones cerebrales [6], y en pacientes con infarto de miocardio, sepsis o politraumatismos [7].
El estrés oxidativo y los contaminantes pueden dañar las células, las proteínas y los ácidos nucleicos, lo que contribuye al envejecimiento y, finalmente, a la muerte celular. Si no se controla la cloración del suministro de agua, el alto contenido de oxidantes puede dañar nuestras propias células de la misma manera que se mantienen bajo control las poblaciones de gérmenes que causan enfermedades.
Los contaminantes no solo son responsables de promover el estrés oxidativo en las células y los tejidos, sino que también pueden estar relacionados con muchas enfermedades humanas y animales. Por esta razón, el control de ORP es bien conocido en la industria de tratamiento de aguas residuales, donde se debe controlar un número significativo de procesos biológicos. Las reacciones bioquímicas realizadas por microorganismos deben mantenerse dentro de un cierto rango de ORP para promover las reacciones de biorremediación deseadas (por ejemplo, aquellas en los procesos de nitrificación o fermentación).
Las aguas residuales de la industria del revestimiento de metales son otro buen ejemplo. Para superar los efectos tóxicos del cromo y el cianuro, los valores de ORP en aguas residuales con estos contaminantes deben estar por debajo de 250 mV y por encima de 450 mV, respectivamente [8].
Gráfico que muestra los rangos de control de ORP de varios procesos industriales, incluidos el teñido de textiles, la fermentación y los tratamientos de aguas y aguas residuales.
Los electrodos serigrafiados son dispositivos desechables que están especialmente diseñados para trabajar con microvolúmenes de muestra.
Medición de ORP con electrodos serigrafiados (SPE)
El ORP es un parámetro muy útil que debe controlarse en muchas situaciones diferentes, como se muestra en las secciones anteriores. Estos incluyen campos industriales donde es necesario medir grandes cantidades de muestras en áreas abiertas, hasta análisis a escala de laboratorio en el laboratorio donde se deben analizar cantidades mínimas de muestras biológicas.
Los usos de la medición de ORP son muy variados y pueden ser complejos. Desarrollar instrumentos para cumplir con los requisitos en tantos campos no es fácil, pero ahora es mucho más posible gracias a la miniaturización de los equipos y al desarrollo de sensores desechables (por ejemplo, SPE).
La multitud de requisitos de varias industrias que deben medir ORP encaja perfectamente con las siguientes ventajas obtenidas al usar SPE e instrumentos miniaturizados. Éstas incluyen portabilidad, accesibilidad, desechable, pequeños tamaños de muestra, y fiabilidad.
Estas ventajas quedan muy claras cuando se utiliza el kit ORP de Metrohm DropSens. El kit ORP es una solución completa todo en uno para medir el potencial de oxidación-reducción. Este kit contiene todos los componentes necesarios para proceder con un análisis ORP: ORPSTAT (el instrumento principal), ORPSEN (sensores desechables) y ORPSTD (solución estándar redox).
El kit de ORP listo para usar de Metrohm DropSens contiene todos los componentes necesarios para realizar análisis de ORP in situ: un potenciostato portátil alimentado por batería con almacenamiento interno, sensores desechables y una solución estándar redox.
- Portabilidad es obligatorio para las mediciones de campo. Gracias a la miniaturización, los potenciostatos como el ORPSTAT ofrecen una interfaz fácil de usar donde el valor ORP de la muestra se puede verificar fácilmente en una pantalla LCD. Este equipo portátil que funciona con una batería de iones de litio es compacto, mide 9,0 × 6,0 × 2,5 cm (L × W × D) y es práctico, ya que solo pesa 100 g.
- Accesibilidad a los datos es necesario poder estudiar un gran número de valores de ORP, especialmente cuando se requiere cribado en el laboratorio o muestreo en el campo. El ORP El kit de Metrohm DropSens permite a los usuarios no solo comprobar los resultados en la pantalla LCD, sino que también ofrece almacenamiento de datos interno. Todos los valores de ORP obtenidos se almacenan en la memoria interna del dispositivo y se pueden descargar a una PC para su posterior acceso y evaluación.
- Desechabilidad facilita el uso del instrumento y de las instalaciones cuando se manipulan muestras complejas. El kit Metrohm DropSens ORP es el sistema más adecuado para realizar mediciones de ORP in situ con muestras caras, escasas o peligrosas (p. ej., muestras biológicas o aguas residuales). La medición con sensores desechables (ORPSEN SPE) brinda a los usuarios la ventaja de evitar la limpieza de la sonda ORP después de medir dichas muestras. Esto es especialmente útil en el campo industrial donde comúnmente se prueban matrices acuosas complejas.
- Tamaño de muestra pequeño Los requisitos significan que se necesita menos muestra, lo que es particularmente útil cuando se analizan fluidos biológicos. La miniaturización no solo ofrece portabilidad a los usuarios cuando se habla del instrumento ORP, sino que gracias a ORPSEN SPE, solo se requieren 60 µL de volumen de muestra para ejecutar ensayos de prueba descentralizados o «Point of Care» (PoC).
- Fiabilidad es una característica deseable en cualquier tipo de sensor, pero obligatoria para ORP ya que los rangos precisos deben controlarse con precisión. Los electrodos ORPSEN son capaces de medir valores de ORP con suficiente precisión para cumplir con los requisitos en varios campos de aplicación. Además, también se incluye una solución estándar redox (ORPSTD) con estos sensores para verificar la precisión de las mediciones de ORP.
Resumen
Trabajar con un potenciostato miniaturizado permite realizar mediciones de ORP in situ más sencillas, mientras que el uso de electrodos serigrafiados desechables permite dichas mediciones en condiciones insalubres o en circunstancias en las que los electrodos convencionales u otros sistemas no pueden pulirse o limpiarse adecuadamente. Metrohm DropSens presenta un kit completo para la medición fiable, fácil de usar y reproducible de ORP: el kit ORP.
La tecnología de serigrafía brinda a los usuarios la oportunidad de trabajar en áreas como las pruebas ambientales, la agroalimentación, la biotecnología y el control de calidad de los procesos industriales. Además, esta tecnología es excelente para estudios de investigación biomédica en los que las muestras pueden ser costosas, escasas o peligrosas, y cuando solo se requiere un volumen de muestra muy pequeño. Además, estos sensores no requieren ningún procedimiento de mantenimiento o limpieza, ya que pueden desecharse una vez finalizado el ensayo, lo que facilita su uso en todo tipo de investigación.
[1] Potencial de reducción. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Reduction_potential&oldid=1144568308 (consultado el 23 de marzo de 2023).
[2] Organización Mundial de la Salud. Estándares Internacionales para Agua Potable (3ra Edición); 1971; vol. 87. https://apps.who.int/iris/handle/10665/39989
[3] Hricova, D.; Stephan, R.; Zweifel, C. Agua Electrolizada y su Aplicación en la Industria Alimentaria. Revista de protección de alimentos 2008, 71 (9), 1934–1947. DOI:10.4315/0362-028X-71.9.1934
[4] Okouchi, S.; Suzuki, M.; Sugano, K.; et al. Agua deseable para el cuerpo humano en términos de potencial de oxidación-reducción (ORP) a la relación de PH. Revista de ciencia de los alimentos 2002, 67 (5), 1594–1598. DOI:10.1111/j.1365-2621.2002.tb08689.x
[5] Agarwal, A.; Bui, A. D. Potencial de oxidación-reducción como un nuevo marcador de estrés oxidativo: correlación con la infertilidad masculina. Urología clínica y de investigación 2017, 58 (6), 385–399. DOI:10.4111/icu.2017.58.6.385
[6] Bjugstad, K. B.; Rael, l. t.; Levy, S.; et al. Potencial de oxidación-reducción como biomarcador de gravedad y resultado agudo en lesiones cerebrales traumáticas. Medicina Oxidativa y Longevidad Celular 2016, 2016. DOI:10.1155/2016/6974257
[7] Bar-O, D.; Bar-Or, R.; Rael, l. t.; et al. Estrés oxidativo en la enfermedad aguda grave. biología redox 2015, 4, 340–345. DOI:10.1016/j.redox.2015.01.006
[8] Gris, D. METRO.; Jaín, R. R.; Meeker, R. h Controles de Redox. Manual de ingenieros de instrumentos, cuarta edición: control y optimización de procesos 2005, 2 (1985), 2032–2043. DOI:10.1016/b978-0-7506-2255-4.50131-8
[9] Killen, D. j.; Boulton, R.; Knoesen, A. Seguimiento y Control Avanzado del Potencial Redox en la Fermentación del Vino. Revista Americana de Enología y Viticultura 2018, 69 (4), 394–399. DOI:10.5344/ajev.2018.17063
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