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Le maintien de niveaux ORP stables joue également un rôle particulier dans le bon fonctionnement de notre organisme, car le métabolisme repose sur un mécanisme précis de systèmes redox interdépendants. Au cours des dernières décennies, l'utilisation d'antioxydants pour améliorer la qualité de vie a suscité un intérêt croissant. Un exemple en est l'eau qui présente une nature moins oxydante que l'eau du robinet. La demande pour cette eau spécialisée a augmenté ces dernières années pour être utilisée dans les boissons, les aliments, les bains, les fluides corporels artificiels, les cosmétiques, les produits de soin de la peau et d'autres usages. [4].
Le potentiel d'oxydo-réduction (ORP), également connu sous le nom de potentiel redox, affecte un grand nombre de nos activités quotidiennes, comme le simple fait d'ouvrir un robinet. Le potentiel d'oxydoréduction (exprimé en millivolts, mV) est une mesure de la tendance d'une espèce chimique à acquérir des électrons d'une électrode (ou à en perdre) et donc à être réduite ou oxydée, respectivement [1]. Ce paramètre peut être utilisé pour prédire l'état des espèces chimiques dans diverses matrices d'échantillons, surveiller la qualité de l'eau, contrôler les processus de fermentation et optimiser le traitement des eaux usées afin d'éviter de rejeter des concentrations de substances plus élevées que les limites réglementaires ne l'autorisent. La mesure des valeurs de Redox est une opération permanente dans de nombreux secteurs industriels qui nécessitent l'amélioration de l'instrumentation actuellement disponible pour faciliter leurs processus.
L'importance du potentiel Redox dans le domaine de la chloration de l'eau
En 1854, une urgence de santé publique est apparue lorsque plus de 600 personnes sont mortes en l'espace d'un mois à la suite d'une épidémie de choléra dans une zone d'à peine un demi-kilomètre de diamètre à Londres. John Snow, un médecin anglais, s'est entretenu avec les habitants et a dressé une carte illustrant les cas de choléra dans la région. Il identifie la source de l'épidémie comme étant la pompe à eau publique qui fournit de l'eau potable à partir d'un puits contaminé par des excréments. En retirant la poignée de la pompe, il a été possible d'empêcher l'utilisation du puits contaminé et de mettre fin à l'épidémie. Grâce à ses recherches, John Snow est devenu l'un des fondateurs de l'épidémiologie moderne et, par conséquent, l'importance du traitement de l'eau destinée à la consommation humaine a commencé à croître.
Camion équipé d'un appareil de purification de l'eau pour fournir de l'eau potable aux troupes en temps de guerre (Première Guerre mondiale). Plus d'un siècle s'est écoulé depuis l'invention des premiers purificateurs d'eau mobiles. Ils continuent de fournir de l'eau propre aux habitants des pays en développement et des zones sinistrées, ainsi qu'au personnel militaire et aux travailleurs dans des endroits isolés.
La qualité de l'eau potable est manifestement un problème de santé publique crucial. Si l'on ne peut se fier à la qualité de l'eau des puits et des fontaines publiques, comment est-il possible d'offrir de l'eau potable exempte de germes à des milliers (ou des millions) de personnes dans les villes ? D'autre part, qu'en est-il des zones rurales ou sauvages où l'eau potable n'est pas toujours facilement accessible ? La réponse à ces questions réside dans le processus de traitement de l'eau par chloration.
Sous sa forme élémentaire, le chlore (Cl2) est un gaz toxique. Lorsqu'il est ajouté à l'eau, le Cl2 altère les parois des cellules bactériennes, détruisant les protéines et l'ADN qu'elles contiennent. C'est le mécanisme par lequel le chlore tue les micro-organismes - il affecte leurs fonctions vitales jusqu'à ce qu'ils meurent, les rendant incapables de propager des maladies. En ajoutant du chlore pour désinfecter les systèmes d'eau municipaux, le risque d'attraper le choléra contagieux, le typhus, la dysenterie et la polio est minimisé..
La chloration de l'eau peut être effectuée à l'aide de chlore élémentaire gazeux, mais il est beaucoup plus sûr d'utiliser de l'hypochlorite de sodium liquide ou de l'hypochlorite de calcium solide. Ces composés chlorent l'eau en générant du "chlore libre" résiduel qui attaque les germes pathogènes et rend le processus de désinfection au chlore plus polyvalent et plus convivial.
Vous vous demandez peut-être si, le chlore étant un élément toxique, il existe une méthode permettant de contrôler la quantité de chlore ajoutée à l'eau. La mesure du potentiel d'oxydo-réduction (ORP) offre une solution fiable à cette question.
Le concept de mesure avec les capteurs ORP
Le potentiel Redox quantifie la capacité d'une substance à oxyder ou à réduire une autre substance. Par exemple, un oxydant préfère voler des électrons à une autre substance, ce qui le charge plus négativement et charge positivement l'autre substance. Cette action génère un potentiel détectable entre les deux substances.
Concrètement, le potentiel Redox est la mesure directe des électrons en transit lors des réactions d'oxydo-réduction. Le potentiel Redox évalue donc la capacité d'une solution à transférer des électrons (oxydation ou réduction) et se mesure en millivolts (mV). Cela signifie qu'en conditions oxydatives, l'électrode de travail immergée dans la solution perd des électrons, ce qui crée un potentiel positif. Au contraire, dans un environnement réducteur, les électrons circulent de la solution vers l'électrode de travail, ce qui produit un potentiel négatif. Alors qu'un réducteur perd un électron, l'oxydant peut accepter un électron. On peut donc dire que les réducteurs puissants entraînent une valeur de Redox plus négative, tandis que les oxydants puissants entraînent une valeur de Redox plus positive. Ce concept est illustré ci-dessous.
Illustration du concept de réaction d'oxydoréduction et de sa relation avec le potentiel Redox. Plus la quantité d'oxydant ajoutée à la solution est importante, plus la valeur du potentiel Redox est élevée.
L'objectif d'un capteur ORP est de mesurer ces petites différences de potentiel générées. Cela est possible grâce à un circuit formé d'une électrode de travail (le pôle positif du circuit, généralement constitué d'un matériau inerte, par exemple le platine ou l'or) et d'une électrode de référence (le pôle négatif) immergée dans la solution. La quantité de potentiel en millivolts créée dépend de la concentration d'oxydants et de réducteurs dans la solution testée.
Pour en revenir à la discussion sur la chloration et le potentiel Redox, une désinfection adéquate de l'eau n'est possible que lorsqu'une certaine concentration de chlore est atteinte. Étant donné que des niveaux élevés de chlore peuvent être toxiques pour la vie humaine, il est important de contrôler avec précision la valeur ORP de l'eau pendant le processus de désinfection au chlore.
Le simple fait de laver la laitue peut être dangereux et n'est pas recommandé dans les endroits où l'eau n'est pas chlorée.
La présence d'un microbiocide oxydant (par exemple, le chlore) crée un environnement oxydant, induisant ainsi un niveau élevé de Redox. Cela contraste avec les environnements réducteurs avec des valeurs ORP plus basses, où les germes prolifèrent généralement. Le fait de maintenir le PO sous contrôle dans l'eau fait de la chloration une procédure plus sûre. En 1971, l'Organisation mondiale de la santé (OMS) a déclaré qu'"un potentiel d'oxydoréduction de 650 mV (mesuré entre des électrodes de référence en platine et en calomel standard) entraîne une inactivation quasi instantanée des virus, même à des concentrations élevées" [2]. Cette valeur a ensuite été recommandée comme le niveau minimum de Redox pour la sécurité humaine et a été mise en œuvre dans la législation sur les piscines publiques et les spas.
Ces dernières années, l'eau électrolysée (EW) a gagné en popularité dans l'industrie alimentaire en tant qu'agent d'assainissement dans de nombreux pays. Bien que cette technologie existe depuis plus de 40 ans, ce n'est que récemment que les entreprises produisant de telles solutions sont apparues sur le marché mondial. Ce désinfectant à base de chlore est le produit de l'électrolyse d'une solution diluée de chlorure de sodium (NaCl) qui se dissocie en eau électrolysée acide (valeur ORP >1100 mV) et en eau électrolysée basique (valeur ORP entre -800 et -900 mV). En rendant cette technologie largement accessible, la désinfection au chlore de l'approvisionnement en eau continue de sauver des vies dans les endroits où la technologie est relativement développée [3].
Exemples d'application - contrôle du potentiel Redox dans des situations réelles
L'exemple présenté au début de cet article concernant la qualité de l'eau potable et ses effets sur la santé publique n'est qu'un exemple parmi une myriade de processus qui affectent notre vie quotidienne et pour lesquels le contrôle des valeurs de Redox est nécessaire. Vous en trouverez une sélection ci-dessous, suivie d'un graphique montrant les plages de contrôle du potentiel Redox pour de nombreux types de processus industriels.
Exemple d'aquaculture : une ferme piscicole en Norvège.
Le potentiel Redox de l'eau de mer est d'environ 400 mV, tandis que celui de l'eau minérale est d'environ 250 mV. Comme pour l'eau des sources thermales, des spas ou des piscines, des valeurs de Redox plus faibles dans la mer peuvent être liées à une activité microbiologique incontrôlée, et des valeurs plus élevées peuvent être liées à une contamination par des oxydants. C'est l'une des raisons pour lesquelles les exploitations d'aquaculture et de pisciculture doivent accorder une attention particulière non seulement au pH du milieu, mais aussi à la mesure du potentiel Redox.
Le vieillissement est simplement le résultat de l'accumulation de dommages moléculaires et cellulaires au fil du temps. Le stress oxydatif joue ainsi un rôle crucial dans le développement de maladies liées à l'âge telles que l'arthrite, le diabète, la démence ou même le cancer. Par conséquent, limiter notre exposition aux oxydants n'est pas seulement une préoccupation d'ordre cosmétique, mais est important pour notre santé à long terme.
Le stress oxydatif est un phénomène provoqué par un déséquilibre entre la production et l'accumulation d'espèces réactives de l'oxygène dans les cellules et les tissus. Bien que les systèmes biologiques puissent naturellement détoxifier ces produits réactifs, la maladie ou la présence de polluants peuvent perturber l'équilibre. Cette perturbation peut être surveillée à l'aide de mesures du potentiel Redox, ce qui permet de détecter le stress oxydatif et ses effets. Ceux-ci peuvent inclure des problèmes tels que l'infertilité masculine [5], le développement de lésions cérébrales [6], et chez les patients souffrant d'infarctus du myocarde, de septicémie ou de traumatismes multiples [7].
Le stress oxydatif et les polluants peuvent endommager les cellules, les protéines et les acides nucléiques, contribuant au vieillissement et finalement à la mort cellulaire. Si la chloration de l'eau n'est pas contrôlée, la teneur élevée en oxydants peut endommager nos propres cellules de la même manière que les populations de germes pathogènes sont maintenues sous contrôle.
Les polluants ne sont pas seulement responsables de la promotion du stress oxydatif dans les cellules et les tissus, ils peuvent également être liés à de nombreuses maladies humaines et animales. C'est pourquoi le contrôle de l'ORP est bien connu dans l'industrie du traitement des eaux usées, où un grand nombre de processus biologiques doivent être contrôlés. Les réactions biochimiques effectuées par les micro-organismes doivent être maintenues dans une certaine plage de Redox afin de favoriser les réactions de biorestauration souhaitées (par exemple, celles des processus de nitrification ou de fermentation).
Les eaux usées provenant de l'industrie de la métallisation sont un autre bon exemple. Pour surmonter les effets toxiques du chrome et du cyanure, les valeurs ORP dans les eaux usées contenant ces contaminants doivent être inférieures à 250 mV et supérieures à 450 mV, respectivement [8].
Graphique montrant les plages de contrôle du potentiel Redox de plusieurs procédés industriels, notamment la teinture des textiles, la fermentation et le traitement de l'eau et des eaux usées.
Les électrodes sérigraphiées sont des dispositifs jetables spécialement conçus pour travailler avec des microvolumes d'échantillons.
Mesure du potentiel Redox avec des électrodes sérigraphiées (SPE)
Le potentiel Redox est un paramètre très utile qui doit être contrôlé dans de nombreuses situations différentes, comme le montrent les sections précédentes. Il peut s'agir de domaines industriels où il est nécessaire de mesurer de grandes quantités d'échantillons dans des zones ouvertes, ou d'analyses à l'échelle du laboratoire où des quantités minimes d'échantillons biologiques doivent être testées.
Les utilisations de la mesure du potentiel Redox sont très variées et peuvent être complexes. Il n'est pas facile de mettre au point des instruments répondant aux exigences d'un si grand nombre de domaines, mais cela est désormais possible grâce à la miniaturisation de l'équipement et au développement de capteurs jetables (par exemple, les SPE).
La multitude d'exigences de plusieurs industries qui doivent mesurer le potentiel Redox s'accorde parfaitement avec les avantages suivants obtenus lors de l'utilisation de SPE et d'instruments miniaturisés. Il s'agit notamment de la portabilité, de l'accessibilité, du caractère jetable, de la petite taille des échantillons et de la fiabilité.
Ces avantages apparaissent clairement lorsque l'on utilise le kit ORP de Metrohm DropSens. Le kit ORP est une solution complète, tout-en-un, pour mesurer le potentiel d'oxydo-réduction. Ce kit contient tous les composants nécessaires pour procéder à une analyse ORP : ORPSTAT (l'instrument principal), ORPSEN (capteurs jetables) et ORPSTD (solution standard redox).
Le kit ORP prêt à l'emploi de Metrohm DropSens contient tous les composants nécessaires pour effectuer une analyse ORP in situ - un potentiostat portable alimenté par batterie avec stockage interne, des capteurs jetables et une solution standard d'oxydoréduction.
- La portabilité est obligatoire pour les mesures sur le terrain. Grâce à la miniaturisation, les potentiostats comme l'ORPSTAT offrent une interface conviviale où la valeur ORP de l'échantillon peut être facilement vérifiée sur un écran LCD. Cet équipement portable alimenté par une batterie Li-ion est compact (9,0 × 6,0 × 2,5 cm, L × L × P) et maniable (100 g seulement).
- L'accessibilité aux données est nécessaire pour pouvoir étudier un grand nombre de valeurs ORP, en particulier lorsqu'un dépistage en laboratoire ou un échantillonnage sur le terrain sont nécessaires. Le kit ORP de Metrohm DropSens permet aux utilisateurs non seulement de vérifier les résultats sur l'écran LCD, mais aussi de stocker les données en interne. Toutes les valeurs ORP obtenues sont stockées dans la mémoire interne de l'appareil et peuvent être téléchargées sur un PC pour un accès et une évaluation ultérieurs..
- La facilité d'utilisation facilite l'utilisation de l'instrument et des installations lors de la manipulation d'échantillons complexes. Le kit Metrohm DropSens ORP est le système le plus approprié pour effectuer des mesures in situ du potentiel Redox avec des échantillons coûteux, rares ou dangereux (par exemple, des échantillons biologiques ou des eaux usées). La mesure avec des capteurs jetables (ORPSEN SPEs) offre aux utilisateurs l'avantage d'éviter le nettoyage de la sonde ORP après la mesure de ces échantillons. Ceci est particulièrement utile dans le domaine industriel où des matrices aqueuses complexes sont couramment testées.
- Les exigences en matière de petite taille d'échantillon signifient qu'il faut moins d'échantillon, ce qui est particulièrement utile lors de l'analyse de fluides biologiques. La miniaturisation n'offre pas seulement aux utilisateurs la portabilité de l'instrument ORP, mais grâce aux SPE d'ORPSEN, seuls 60 µl de volume d'échantillon sont nécessaires pour effectuer des essais décentralisés ou des essais sur le lieu de soins (PoC).
- La fiabilité est une caractéristique souhaitable pour tout type de capteur, mais elle est obligatoire pour le potentiel Redox, car les plages de mesure doivent être contrôlées avec précision. Les électrodes ORPSEN sont capables de mesurer les valeurs de Redox avec une précision suffisante pour répondre aux exigences de plusieurs domaines d'application. En outre, une solution standard d'oxydoréduction (ORPSTD) est également fournie avec ces capteurs pour vérifier la précision des mesures ORP.
Résumé
L'utilisation d'un potentiostat miniaturisé facilite les mesures de Redox sur site, tandis que l'utilisation d'électrodes sérigraphiées jetables permet d'effectuer de telles mesures dans des conditions insalubres ou dans des circonstances où les électrodes conventionnelles ou d'autres systèmes ne peuvent pas être polis ou nettoyés de manière adéquate. Metrohm DropSens présente un kit complet pour une mesure fiable, facile à utiliser et reproductible du potentiel Redox : le kit Redox.
La technologie de la sérigraphie permet aux utilisateurs de travailler dans des domaines tels que les essais environnementaux, l'agroalimentaire, la biotechnologie et le contrôle de la qualité des processus industriels. En outre, cette technologie convient parfaitement aux études de recherche biomédicale où les échantillons peuvent être coûteux, rares ou dangereux, et où seul un très petit volume d'échantillon est nécessaire. En outre, ces capteurs ne nécessitent aucune procédure d'entretien ou de nettoyage puisqu'ils peuvent être jetés une fois l'essai terminé, ce qui facilite leur utilisation dans tous les types de recherche.
[1] Reduction potential. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Reduction_potential&oldid=1144568308 (accessed 2023-03-23).
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[3] Hricova, D.; Stephan, R.; Zweifel, C. Electrolyzed Water and Its Application in the Food Industry. Journal of Food Protection 2008, 71 (9), 1934–1947. DOI:10.4315/0362-028X-71.9.1934
[4] Okouchi, S.; Suzuki, M.; Sugano, K.; et al. Water Desirable for the Human Body in Terms of Oxidation-Reduction Potential (ORP) to PH Relationship. Journal of Food Science 2002, 67 (5), 1594–1598. DOI:10.1111/j.1365-2621.2002.tb08689.x
[5] Agarwal, A.; Bui, A. D. Oxidation-Reduction Potential as a New Marker for Oxidative Stress: Correlation to Male Infertility. Investigative and Clinical Urology 2017, 58 (6), 385–399. DOI:10.4111/icu.2017.58.6.385
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[7] Bar-Or, D.; Bar-Or, R.; Rael, L. T.; et al. Oxidative Stress in Severe Acute Illness. Redox Biology 2015, 4, 340–345. DOI:10.1016/j.redox.2015.01.006
[8] Gray, D. M.; Jain, R. R.; Meeker, R. H. ORP Controls. Instrument Engineers Handbook, Fourth Edition: Process Control and Optimization 2005, 2 (1985), 2032–2043. DOI:10.1016/b978-0-7506-2255-4.50131-8
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