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Anche il mantenimento di livelli stabili di ORP svolge un ruolo speciale nella corretta funzionalità del nostro corpo poiché il metabolismo si basa su un preciso meccanismo di sistemi redox interconnessi. Negli ultimi decenni, c'è stata una crescente preoccupazione per l'uso di antiossidanti per ottenere una migliore qualità della vita. Ne è un esempio l'acqua che presenta una natura meno ossidante rispetto a quella della normale acqua di rubinetto. La domanda di quest'acqua specializzata è cresciuta negli ultimi anni per l'uso in bevande, alimenti, bagni, fluidi corporei artificiali, cosmetici, prodotti per la cura della pelle e altri scopi [4].
Il potenziale di ossidoriduzione (ORP), noto anche come potenziale redox, influisce su molte delle nostre routine quotidiane, come la semplice apertura del rubinetto di un rubinetto. L'ORP (espresso in millivolt, mV) è una misura della tendenza di una specie chimica ad acquisire elettroni da (o perdere elettroni verso) un elettrodo e quindi a ridursi o ossidarsi, rispettivamente [1]. Questo parametro può essere utilizzato per prevedere gli stati delle specie chimiche in varie matrici di campioni, monitorare la qualità dell'acqua, controllare i processi di fermentazione e ottimizzare il trattamento delle acque reflue per evitare il rilascio di concentrazioni di sostanze superiori a quelle consentite dai limiti normativi. La misurazione dei valori ORP è un'operazione continua in molti settori industriali che richiedono il miglioramento della strumentazione attualmente disponibile per facilitare i loro processi.
Importanza dell'ORP nel regno della clorazione dell'acqua
Un'emergenza sanitaria pubblica si verificò nel 1854 quando più di 600 persone morirono in un mese a causa di un'epidemia di colera in un'area di appena mezzo chilometro di diametro a Londra. John Snow, un medico inglese, ha parlato con i residenti locali e ha creato una mappa che illustra le occorrenze del colera nella zona. Ha identificato la fonte del focolaio come la pompa dell'acqua pubblica che forniva acqua potabile da un pozzo contaminato da escrementi. Rimuovendo la maniglia della pompa, è stato impedito l'ulteriore utilizzo del pozzo contaminato e l'epidemia è stata interrotta. Grazie alle sue ricerche, John Snow divenne uno dei fondatori della moderna epidemiologia e, di conseguenza, l'importanza del trattamento dell'acqua per il consumo umano iniziò a crescere.
Camion con impianto di depurazione dell'acqua per fornire acqua potabile pulita alle truppe in tempo di guerra (prima guerra mondiale). È passato più di un secolo da quando sono stati inventati i primi depuratori d'acqua mobili. Continuano a fornire acqua pulita agli abitanti dei paesi in via di sviluppo e delle aree disastrate, nonché al personale militare e ai lavoratori in località remote.
La qualità dell'acqua potabile è chiaramente un problema critico per la salute pubblica. Se non si può fare affidamento sulla qualità dell'acqua di pozzi e fontane pubbliche, come è possibile offrire acqua potabile priva di germi a migliaia (o milioni) di persone nelle città? D'altra parte, che dire delle aree rurali o selvagge dove l'acqua pulita non è sempre facilmente accessibile? La risposta a queste domande sta nel processo di trattamento dell'acqua mediante clorazione.
Nella sua forma elementare, il cloro (Cl2) è un gas tossico. Aggiunto all'acqua, il Cl2 provoca alterazioni nelle pareti delle cellule batteriche, distruggendo le proteine e il DNA contenuti all'interno. Questo è il meccanismo con cui il cloro uccide i microrganismi: ne influenza le funzioni vitali fino alla morte, rendendoli incapaci di diffondere malattie. Aggiungendo cloro per disinfettare i sistemi idrici comunali, il rischio di contrarre colera contagioso, tifo, dissenteria e poliomielite è ridotto al minimo.
La clorazione dell'acqua può essere effettuata utilizzando gas di cloro elementare, sebbene sia molto più sicuro utilizzare ipoclorito di sodio liquido o ipoclorito di calcio solido. Questi composti clorano l'acqua generando un «cloro libero» residuo che attacca i germi che causano malattie e rende il processo di disinfezione con cloro più versatile e facile da usare.
Ci si potrebbe chiedere, poiché il cloro è un elemento tossico, esiste un metodo per controllare quanto viene aggiunto all'acqua? La misurazione del potenziale di ossidoriduzione (ORP) offre una soluzione affidabile a questo problema.
Il concetto di misura con sensori ORP
L'ORP quantifica la capacità di una sostanza di ossidare o ridurre un'altra sostanza. Ad esempio, un ossidante preferisce rubare elettroni da un'altra sostanza, rendendola carica più negativamente e caricando positivamente l'altra sostanza. Questo atto genera un potenziale rilevabile tra le due sostanze.
In termini pratici, l'ORP è la misura diretta degli elettroni in transito durante le reazioni di ossidoriduzione. Pertanto, ORP valuta la capacità di una soluzione per il trasferimento di elettroni (ossidazione o riduzione) e viene misurata in millivolt (mV). Ciò significa che in condizioni ossidative, l'elettrodo di lavoro immerso nella soluzione perde elettroni, creando un potenziale positivo. Al contrario, in un ambiente riducente, gli elettroni fluiscono dalla soluzione all'elettrodo di lavoro, producendo un potenziale negativo. Mentre un riducente perde un elettrone, l'ossidante può accettare un elettrone. Quindi, si può affermare che forti riducenti determinano un valore ORP più negativo, mentre ossidanti più forti portano a un valore ORP più positivo. Questo concetto è illustrato di seguito.
Illustrazione del concetto di reazione redox e della sua relazione con l'ORP. Più ossidante viene aggiunto alla soluzione, più alto è il valore ORP.
L'obiettivo di un sensore ORP è misurare queste piccole differenze di potenziale generate. Ciò è reso possibile attraverso un circuito formato da un elettrodo di lavoro (il polo positivo del circuito, solitamente di materiale inerte, ad esempio platino o oro) e un elettrodo di riferimento (il polo negativo) immerso nella soluzione. La quantità di potenziale in millivolt creata dipende dalla concentrazione di ossidanti e riducenti nella soluzione testata.
Tornando alla discussione sulla clorazione e sull'ORP, un'adeguata disinfezione dell'acqua è possibile solo quando viene raggiunta una certa quantità di concentrazione di cloro. Considerando che alti livelli di cloro possono essere tossici per la vita umana, è importante controllare accuratamente il valore ORP dell'acqua durante il processo di disinfezione con cloro.
Il semplice processo di lavaggio della lattuga può essere pericoloso e non è raccomandato in luoghi in cui non viene applicata la clorazione alla rete idrica.
La presenza di un microbicida ossidante (ad es. cloro) crea un ambiente ossidante, inducendo quindi un livello elevato di ORP. Ciò è in contrasto con la riduzione degli ambienti con valori ORP inferiori, che è il luogo in cui di solito proliferano i germi. Mantenere sotto controllo l'ORP nell'acqua rende la clorazione una procedura più sicura. Nel 1971, l'Organizzazione Mondiale della Sanità (OMS) affermò che «Un potenziale redox di 650 mV (misurato tra gli elettrodi di riferimento al platino e al calomelano standard) causerà l'inattivazione quasi istantanea anche di alte concentrazioni di virus» [2]. Questo valore è stato successivamente raccomandato come livello minimo di ORP per la sicurezza umana ed è stato implementato nella legislazione delle piscine pubbliche e delle terme.
Negli ultimi anni, l'acqua elettrolizzata (EW) ha guadagnato popolarità nell'industria alimentare come disinfettante in molti paesi. Sebbene questa tecnologia esista da più di 40 anni, le aziende che producono tali soluzioni si sono avvicinate solo di recente al mercato globale. Questo disinfettante a base di cloro è il prodotto dell'elettrolisi di una soluzione diluita di cloruro di sodio (NaCl) che si dissocia in acqua elettrolizzata acida (valore Redox >1100 mV) e acqua elettrolizzata basica (valore Redox compreso tra -800 e -900 mV). Rendendo questa tecnologia ampiamente accessibile, la disinfezione con cloro dell'approvvigionamento idrico continua a salvare vite in luoghi in cui la tecnologia è abbastanza sviluppata [3].
Esempi di applicazione: monitoraggio dell'ORP in situazioni di vita reale
L'esempio presentato all'inizio di questo articolo sulla qualità dell'acqua potabile e il suo effetto sulla salute pubblica è solo uno dei tanti processi che influenzano la nostra vita quotidiana dove il controllo dei valori ORP è necessario. Una selezione di questi può essere trovata di seguito, seguita da un grafico che mostra le gamme di controllo ORP per molti tipi di processi industriali.
Esempio di acquacoltura: un allevamento ittico in Norvegia.
I valori ORP nell'acqua di mare sono di circa 400 mV, mentre l'acqua minerale ha un valore di circa 250 mV. Analogamente all'acqua delle sorgenti termali, delle terme o delle piscine, valori di ORP inferiori nel mare possono essere correlati ad attività microbiologica incontrollata e valori più elevati potrebbero essere correlati a contaminazione da ossidanti. Questo è uno dei motivi per cui le operazioni di acquacoltura e piscicoltura devono prestare particolare attenzione non solo al pH dei mezzi, ma anche alla misurazione dell'ORP.
L'invecchiamento è semplicemente il risultato dell'accumulo di danni molecolari e cellulari nel tempo. In questo modo, lo stress ossidativo gioca un ruolo cruciale nello sviluppo di malattie legate all'età come l'artrite, il diabete, la demenza o persino il cancro. Pertanto, limitare la nostra esposizione agli ossidanti non è solo una preoccupazione estetica, ma è importante per la nostra salute a lungo termine.
Lo stress ossidativo è un fenomeno provocato da uno squilibrio tra la produzione e l'accumulo di specie reattive dell'ossigeno nelle cellule e nei tessuti. Sebbene i sistemi biologici possano naturalmente disintossicare questi prodotti reattivi, la malattia o la presenza di sostanze inquinanti possono disturbare l'equilibrio. Questo disturbo può essere monitorato con misurazioni dell'ORP, consentendo di rilevare lo stress ossidativo e i suoi effetti. Questi possono includere problemi come l'infertilità maschile [5], o sviluppo di lesioni cerebrali [6], e nei pazienti con infarto del miocardio, sepsi o molteplici tipi di traumi [7].
Lo stress ossidativo e gli inquinanti possono danneggiare le cellule, le proteine e gli acidi nucleici, contribuendo all'invecchiamento e infine alla morte cellulare. Se la clorazione dell'approvvigionamento idrico non è controllata, l'elevato contenuto di ossidanti può danneggiare le nostre stesse cellule nello stesso modo in cui vengono tenute sotto controllo le popolazioni di germi che causano malattie.
Gli inquinanti non sono solo responsabili della promozione dello stress ossidativo nelle cellule e nei tessuti, ma possono anche essere collegati a molte malattie umane e animali. Per questo motivo, il controllo dell'ORP è ben noto nell'industria del trattamento delle acque reflue, dove è necessario controllare un numero significativo di processi biologici. Le reazioni biochimiche eseguite dai microrganismi devono essere mantenute entro un certo intervallo ORP per promuovere le reazioni di biorisanamento desiderate (ad esempio, quelle nei processi di nitrificazione o fermentazione).
Le acque reflue dell'industria della placcatura dei metalli sono un altro buon esempio. Per superare gli effetti tossici del cromo e del cianuro, i valori di ORP nelle acque reflue con questi contaminanti devono essere rispettivamente inferiori a 250 mV e superiori a 450 mV [8].
Grafico che mostra gli intervalli di controllo dell'ORP di diversi processi industriali tra cui la tintura dei tessuti, la fermentazione e il trattamento delle acque e delle acque reflue.
Gli elettrodi serigrafati sono dispositivi monouso appositamente progettati per lavorare con microvolumi di campione.
Misurazione dell'ORP con elettrodi screen-printed (SPEs)
L'ORP è un parametro molto utile che deve essere controllato in molte situazioni diverse, come mostrato nelle sezioni precedenti. Questi includono campi industriali in cui è necessario misurare grandi quantità di campioni in aree aperte, fino ad analisi su scala di laboratorio dove devono essere testate quantità minime di campioni biologici.
Gli usi della misurazione dell'ORP sono molto vari e possono essere complessi. Lo sviluppo di strumenti per soddisfare i requisiti in così tanti campi non è facile, ma ora è molto più possibile grazie alla miniaturizzazione delle apparecchiature e allo sviluppo di sensori usa e getta (ad esempio, SPE).
La moltitudine di requisiti di diversi settori che devono misurare l'ORP si adattano perfettamente ai seguenti vantaggi ottenuti utilizzando SPE e strumenti miniaturizzati. Questi includono portabilità, accessibilità, singolo uso, piccole dimensioni del campione e affidabilità.
Questi vantaggi diventano ampiamente evidenti quando si utilizza il kit ORP di Metrohm DropSens. Il kit ORP è una soluzione completa e all-in-one per misurare il potenziale di riduzione dell'ossido. Questo kit contiene tutti i componenti necessari per procedere con un'analisi ORP: ORPSTAT (lo strumento principale), ORPSEN (sensori monouso) e ORPSTD (soluzione standard redox).
Il kit ORP pronto all'uso di Metrohm DropSens contiene tutti i componenti necessari per eseguire analisi ORP in situ: un potenziostato portatile alimentato a batteria con memoria interna, sensori usa e getta e una soluzione standard redox.
- La portabilità è obbligatoria per le misurazioni sul campo. Grazie alla miniaturizzazione, i potenziostati come ORPSTAT offrono un'interfaccia intuitiva in cui il valore ORP del campione può essere facilmente controllato su un display LCD. Questa apparecchiatura portatile alimentata con una batteria agli ioni di litio è compatta a 9,0 × 6,0 × 2,5 cm (L × L × P) e maneggevole, pesa solo 100 g.
- L'accessibilità ai dati è necessaria per poter studiare un gran numero di valori di ORP, soprattutto quando sono richiesti screening in laboratorio o campionamenti in campo. Il kit ORP di Metrohm DropSens consente agli utenti non solo di controllare i risultati sul display LCD, ma offre anche la memorizzazione interna dei dati. Tutti i valori ORP ottenuti vengono archiviati nella memoria interna del dispositivo e possono essere scaricati su un PC per ulteriore accesso e valutazione.
- Il singolo uso facilita l'uso dello strumento e delle strutture quando si maneggiano campioni complessi. Il kit Metrohm DropSens ORP è il sistema più adatto per eseguire misurazioni ORP in situ con campioni costosi, scarsi o pericolosi (ad es. campioni biologici o acque reflue). La misurazione con sensori usa e getta (ORPSEN SPE) offre agli utenti il vantaggio di evitare di pulire la sonda ORP dopo aver misurato tali campioni. Ciò è particolarmente utile nel campo industriale dove vengono comunemente testate matrici acquose complesse.
- I requisiti di piccole dimensioni del campione significano che è necessario meno campione, il che è particolarmente utile quando si analizzano fluidi biologici. La miniaturizzazione non solo offre agli utenti la portabilità quando discutono dello strumento ORP, ma grazie agli SPE ORPSEN, sono necessari solo 60 µL di volume di campione per eseguire analisi decentralizzate o «Point of Care» (PoC).
- L'affidabilità è una caratteristica desiderabile in qualsiasi tipo di sensore, ma obbligatoria per l'ORP poiché è necessario controllare con precisione intervalli accurati. Gli elettrodi ORPSEN sono in grado di misurare i valori ORP con sufficiente precisione per soddisfare i requisiti in diversi campi di applicazione. Inoltre, con questi sensori è inclusa anche una soluzione standard redox (ORPSTD) per controllare l'accuratezza delle misurazioni ORP.
Riassunto
Lavorare con un potenziostato miniaturizzato consente misurazioni ORP in loco più semplici, mentre l'utilizzo di elettrodi serigrafati monouso consente tali misurazioni in condizioni non igieniche o in circostanze in cui gli elettrodi convenzionali o altri sistemi non possono essere adeguatamente lucidati o puliti. Metrohm DropSens presenta un kit completo per misurazioni affidabili, facili da usare e riproducibili dell'ORP: il kit ORP.
La tecnologia Screen-printing offre agli utenti la possibilità di lavorare in settori come i test ambientali, l'agroalimentare, le biotecnologie e il controllo di qualità dei processi industriali. Inoltre, questa tecnologia eccelle per gli studi di ricerca biomedica in cui i campioni possono essere costosi, scarsi o pericolosi e quando è richiesto solo un volume di campione molto ridotto. Inoltre, questi sensori non richiedono alcuna manutenzione o procedura di pulizia in quanto possono essere eliminati al termine di un test, facilitando il loro utilizzo in tutti i tipi di ricerca.
[1] Reduction potential. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Reduction_potential&oldid=1144568308 (accessed 2023-03-23).
[2] World Health Organization. International Standards for Drinking Water (3rd Edition); 1971; Vol. 87. https://apps.who.int/iris/handle/10665/39989
[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
[6] Bjugstad, K. B.; Rael, L. T.; Levy, S.; et al. Oxidation-Reduction Potential as a Biomarker for Severity and Acute Outcome in Traumatic Brain Injury. Oxidative Medicine and Cellular Longevity 2016, 2016. DOI:10.1155/2016/6974257
[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
[9] Killeen, D. J.; Boulton, R.; Knoesen, A. Advanced Monitoring and Control of Redox Potential in Wine Fermentation. American Journal of Enology and Viticulture 2018, 69 (4), 394–399. DOI:10.5344/ajev.2018.17063
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[11] Topcu, A.; McKinnon, I.; McSweeney, P. L. H. Measurement of the Oxidation-Reduction Potential of Cheddar Cheese. Journal of Food Science 2008, 73 (3). DOI:10.1111/j.1750-3841.2008.00692.x
