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A manutenção de níveis estáveis de ORP também desempenha um papel especial na correta funcionalidade do nosso corpo, uma vez que o metabolismo depende de um mecanismo preciso de sistemas redox inter-relacionados. Nas últimas décadas, tem havido uma preocupação crescente com o uso de antioxidantes para alcançar uma melhor qualidade de vida. Um exemplo disso é a água que apresenta uma natureza menos oxidante do que a água normal da torneira. A demanda por essa água especializada tem crescido nos últimos anos para uso em bebidas, alimentos, banho, fluidos corporais artificiais, cosméticos, produtos para a pele e outros fins [4].
O potencial de oxidação-redução (ORP), também conhecido como potencial redox, afeta muitas de nossas rotinas diárias, como simplesmente abrir a torneira de uma torneira. ORP (expresso em milivolts, mV) é uma medida da tendência de uma espécie química adquirir elétrons de (ou perder elétrons para) um eletrodo e, assim, ser reduzida ou oxidada, respectivamente [1]. Este parâmetro pode ser usado para prever os estados de espécies químicas em várias matrizes de amostras, monitorar a qualidade da água, controlar processos de fermentação e otimizar o tratamento de águas residuais para evitar a liberação de concentrações mais altas de substâncias do que os limites regulamentares permitem. A medição dos valores de ORP é uma operação contínua em muitos setores industriais que requerem a melhoria da instrumentação atualmente disponível para facilitar os seus processos.
Importância do ORP no domínio da cloração da água
Uma emergência de saúde pública surgiu em 1854, quando mais de 600 pessoas morreram num mês como resultado de um surto de cólera numa área com apenas meio quilómetro de diâmetro em Londres. John Snow, um médico inglês, conversou com os moradores locais e criou um mapa ilustrando as ocorrências de cólera na área. Ele identificou a fonte do surto como a bomba pública que fornecia água potável de um poço contaminado com excrementos. Ao remover a alça da bomba, o poço contaminado foi impedido de ser utilizado novamente e o surto foi encerrado. Devido às suas pesquisas, John Snow tornou-se um dos fundadores da epidemiologia moderna e, com isso, a importância do tratamento da água para consumo humano começou a crescer.
Caminhão com aparelho de purificação de água para fornecer água potável às tropas durante a guerra (Primeira Guerra Mundial). Já se passou mais de um século desde que os primeiros purificadores de água móveis foram inventados. Continuam a fornecer água potável aos habitantes dos países em desenvolvimento e zonas de catástrofe, bem como ao pessoal militar e aos trabalhadores em locais remotos.
A qualidade da água potável é claramente uma preocupação crítica de saúde pública. Se não se pode confiar na qualidade da água dos poços e fontes públicas, então como é possível oferecer água potável livre de germes a milhares (ou milhões) de pessoas nas cidades? Por outro lado, o que dizer das zonas rurais ou selvagens onde a água potável nem sempre é facilmente acessível? A resposta a estas questões está no processo de tratamento da água por cloração.
Na sua forma elementar, o cloro (Cl2) é um gás tóxico. Quando adicionado à água, Cl2 causa alterações nas paredes celulares bacterianas, destruindo proteínas e DNA contidos nelas. Este é o mecanismo pelo qual o cloro mata os microrganismos – afecta as suas funções vitais até morrerem, tornando-os incapazes de espalhar doenças. Ao adicionar cloro para desinfetar os sistemas de água municipais, o risco de contrair cólera contagiosa, tifo, disenteria e poliomielite é minimizado.
A cloração da água pode ser feita usando cloro gasoso elementar, embora seja muito mais seguro usar hipoclorito de sódio líquido ou hipoclorito de cálcio sólido. Estes compostos cloram a água gerando «cloro livre» residual que ataca os germes causadores de doenças e torna o processo de desinfecção com cloro mais versátil e fácil de usar.
Você pode estar se perguntando: como o cloro é um elemento tóxico, existe algum método para controlar a quantidade dele adicionada à água? A medição do potencial de redução de oxidação (ORP) oferece uma solução confiável para esse problema.
O conceito de medição com sensores ORP
ORP quantifica a capacidade de uma substância oxidar ou reduzir outra substância. Por exemplo, um oxidante prefere roubar elétrons de outra substância, tornando-a mais carregada negativamente e carregando positivamente a outra substância. Este ato gera um potencial detectável entre as duas substâncias.
Em termos práticos, ORP é a medição direta de elétrons em trânsito durante reações de oxidação-redução. Portanto, o ORP avalia a capacidade de uma solução de transferência de elétrons (oxidação ou redução) e é medido em milivolts (mV). Isto significa que em condições oxidativas, o eletrodo de trabalho imerso na solução perde elétrons, criando um potencial positivo. Pelo contrário, num ambiente redutor, os electrões fluem da solução para o eléctrodo de trabalho, produzindo um potencial negativo. Enquanto um redutor perde um elétron, o oxidante pode aceitar um elétron. Assim, pode-se dizer que redutores fortes resultam em um valor de ORP mais negativo, enquanto oxidantes mais fortes levam a um valor de ORP mais positivo. Este conceito é ilustrado abaixo.
Ilustração do conceito de reação redox e sua relação com o ORP. Quanto mais oxidante for adicionado à solução, maior será o valor de ORP.
O objetivo de um sensor ORP é medir essas pequenas diferenças de potencial geradas. Isto é possível através de um circuito formado por um eletrodo de trabalho (o pólo positivo do circuito, geralmente feito de um material inerte, por exemplo, platina ou ouro) e um eletrodo de referência (o pólo negativo) imerso na solução. A quantidade de potencial milivolt criado depende da concentração de oxidantes e redutores na solução testada.
Voltando à discussão sobre cloração e ORP, a desinfecção adequada da água só é possível quando uma certa concentração de cloro é atingida. Considerando que altos níveis de cloro podem ser tóxicos para a vida humana, é importante controlar com precisão o valor ORP da água durante o processo de desinfecção com cloro.
O simples processo de lavagem da alface pode ser perigoso e não é recomendado em locais onde não é aplicada cloração na água de abastecimento.
A presença de um microbiocida oxidante (por exemplo, cloro) cria um ambiente oxidante, induzindo, portanto, um alto nível de ORP. Isto contrasta com a redução de ambientes com valores mais baixos de ORP, que é onde os germes geralmente proliferam. Manter o ORP sob controle na água torna a cloração um procedimento mais seguro. Em 1971, a Organização Mundial da Saúde (OMS) declarou que «Um potencial redox de 650 mV (medido entre eletrodos de referência de platina e calomelano padrão) causará inativação quase instantânea mesmo de altas concentrações de vírus» [2]. Este valor foi posteriormente recomendado como nível mínimo de ORP para a segurança humana e foi implementado na legislação de piscinas e spas públicos.
Nos últimos anos, a água eletrolisada (EW) ganhou popularidade na indústria alimentícia como desinfetante em muitos países. Embora esta tecnologia exista há mais de 40 anos, as empresas que produzem tais soluções só recentemente se aproximaram do mercado global. Este desinfetante à base de cloro é o produto da eletrólise de uma solução diluída de cloreto de sódio (NaCl) que se dissocia em água eletrolisada ácida (valor de ORP >1100 mV) e água eletrolisada básica (valor de ORP entre -800 e -900 mV). Ao tornar esta tecnologia amplamente acessível, desinfecção com cloro do abastecimento de água continua salvando vidas em lugares onde a tecnologia está bastante desenvolvida [3].
Exemplos de aplicação – monitoramento de ORP em situações da vida real
O exemplo apresentado no início deste artigo sobre a qualidade da água potável e o seu efeito na saúde pública é apenas um dos inúmeros processos que afectam a nossa vida quotidiana onde o controlo dos valores de ORP é necessário. Uma seleção deles pode ser encontrada abaixo, seguida por um gráfico que mostra as faixas de controle de ORP para muitos tipos de processos industriais.
Exemplo de aquicultura: uma piscicultura na Noruega.
As leituras de ORP na água do mar são de cerca de 400 mV, enquanto a água mineral tem um valor de cerca de 250 mV. Semelhante à água de fontes termais, spas ou piscinas, valores mais baixos de ORP no mar podem estar relacionados à atividade microbiológica descontrolada, e valores mais elevados podem estar relacionados à contaminação oxidante. Esta é uma das razões pelas quais as operações de aquicultura e piscicultura devem ter cuidado especial não apenas com o pH do meio, mas também com a medição de ORP.
O envelhecimento é simplesmente o resultado do acúmulo de danos moleculares e celulares ao longo do tempo. Desta forma, o stress oxidativo desempenha um papel crucial no desenvolvimento de doenças relacionadas com a idade, como artrite, diabetes, demência ou mesmo cancro. Portanto, limitar a nossa exposição a oxidantes não é apenas uma preocupação cosmética, mas também importante para a nossa saúde a longo prazo.
O estresse oxidativo é um fenômeno provocado por um desequilíbrio entre a produção e o acúmulo de espécies reativas de oxigênio nas células e tecidos. Embora os sistemas biológicos possam desintoxicar naturalmente estes produtos reativos, doenças ou a presença de poluentes podem perturbar o equilíbrio. Este distúrbio pode ser monitorado com medições de ORP, possibilitando detectar o estresse oxidativo e seus efeitos. Isso pode incluir problemas como infertilidade masculina [5], desenvolvimento de lesões cerebrais [6], e em pacientes com infarto do miocárdio, sepse ou múltiplos tipos de trauma [7].
O estresse oxidativo e os poluentes podem danificar células, proteínas e ácidos nucléicos, contribuindo para o envelhecimento e, eventualmente, para a morte celular. Se a cloração do abastecimento de água não for controlada, o elevado teor de oxidantes pode danificar as nossas próprias células, da mesma forma que as populações de germes causadores de doenças são mantidas sob controlo.
Os poluentes não são apenas responsáveis pela promoção do stress oxidativo nas células e tecidos, mas também podem estar ligados a muitas doenças humanas e animais. Por esta razão, o controle de ORP é bem conhecido na indústria de tratamento de águas residuais, onde um número significativo de processos biológicos deve ser controlado. As reações bioquímicas realizadas pelos microrganismos devem ser mantidas dentro de uma determinada faixa de ORP para promover as reações de biorremediação desejadas (por exemplo, aquelas nos processos de nitrificação ou fermentação).
As águas residuais da indústria de metalurgia são outro bom exemplo. Para superar os efeitos tóxicos do cromo e do cianeto, os valores de ORP em águas residuais com esses contaminantes devem estar abaixo de 250 mV e acima de 450 mV, respectivamente [8].
Gráfico mostrando as faixas de controle de ORP de vários processos industriais, incluindo tingimento de têxteis, fermentação e tratamentos de água e águas residuais.
Eletrodos serigrafados são dispositivos descartáveis especialmente projetados para trabalhar com microvolumes de amostra.
Medição de ORP com eletrodos serigrafados (SPEs)
ORP é um parâmetro muito útil que deve ser controlado em diversas situações, conforme mostrado nas seções anteriores. Estes incluem campos industriais onde é necessária a medição de grandes quantidades de amostras em áreas abertas, até análises em escala de bancada no laboratório onde devem ser testadas quantidades mínimas de amostras biológicas.
Os usos da medição de ORP são amplamente variados e podem ser complexos. O desenvolvimento de instrumentos para atender aos requisitos em tantos campos não é fácil, mas agora é muito mais possível graças à miniaturização de equipamentos e ao desenvolvimento de sensores descartáveis (por exemplo, SPEs).
A multiplicidade de requisitos de diversas indústrias que devem medir o ORP se ajusta perfeitamente às seguintes vantagens obtidas ao usar SPEs e instrumentos miniaturizados. Esses incluem portabilidade, acessibilidade, descartabilidade, amostras pequenas, e confiabilidade.
Essas vantagens ficam bastante claras ao usar o kit ORP da Metrohm DropSens. O kit ORP é uma solução completa e completa para medir o potencial de redução de oxidação. Este kit contém todos os componentes necessários para prosseguir com uma análise de ORP: ORPSTAT (o instrumento principal), ORPSEN (sensores descartáveis) e ORPSTD (solução padrão redox).
O kit ORP pronto para uso da Metrohm DropSens contém todos os componentes necessários para realizar análises ORP in situ – um potenciostato portátil alimentado por bateria com armazenamento interno, sensores descartáveis e uma solução padrão redox.
- Portabilidade é obrigatório para medições de campo. Graças à miniaturização, potenciostatos como o ORPSTAT oferecem uma interface amigável onde o valor ORP da amostra pode ser facilmente verificado em um display LCD. Este equipamento portátil alimentado por bateria de íon-lítio é compacto, medindo 9,0 × 6,0 × 2,5 cm (C × L × P) e prático, pesando apenas 100 g.
- Acessibilidade aos dados é necessária para poder estudar um grande número de valores de ORP, especialmente quando é necessária triagem em laboratório ou amostragem em campo. O ORP O kit da Metrohm DropSens permite aos usuários não apenas verificar os resultados no display LCD, mas também oferece armazenamento interno de dados. Todos os valores de ORP obtidos são armazenados na memória interna do dispositivo e podem ser baixados para um PC para posterior acesso e avaliação.
- Descartabilidade facilita o uso do instrumento e das instalações no manuseio de amostras complexas. O kit Metrohm DropSens ORP é o sistema mais adequado para realizar medições de ORP in situ com amostras caras, escassas ou perigosas (por exemplo, amostras biológicas ou águas residuais). A medição com sensores descartáveis (ORPSEN SPEs) oferece aos usuários a vantagem de evitar a limpeza da sonda ORP após medir tais amostras. Isto é especialmente útil no campo industrial onde matrizes aquosas complexas são comumente testadas.
- Tamanho pequeno da amostra requisitos significam que menos amostras são necessárias, o que é particularmente útil ao testar fluidos biológicos. A miniaturização não só oferece portabilidade aos usuários ao discutir o instrumento ORP, mas graças aos SPEs ORPSEN, apenas 60 µL de volume de amostra são necessários para executar ensaios de teste descentralizados ou «Point of Care» (PoC).
- Confiabilidade é uma característica desejável em qualquer tipo de sensor, mas obrigatória para ORP, uma vez que faixas precisas devem ser controladas com precisão. Os eletrodos ORPSEN são capazes de medir valores de ORP com precisão suficiente para atender aos requisitos em diversos campos de aplicação. Além disso, uma solução padrão redox (ORPSTD) também está incluída nesses sensores para verificar a precisão das medições de ORP.
Resumo
Trabalhar com um potenciostato miniaturizado permite medições de ORP mais fáceis no local, enquanto o uso de eletrodos serigrafados descartáveis permite tais medições em condições insalubres ou em circunstâncias onde eletrodos convencionais ou outros sistemas não podem ser adequadamente polidos ou limpos. Metrohm DropSens apresenta um kit completo para medição de ORP confiável, fácil de usar e reproduzível: o kit ORP.
A tecnologia de serigrafia oferece aos usuários a oportunidade de trabalhar em áreas como testes ambientais, agroalimentar, biotecnologia e controle de qualidade de processos industriais. Além disso, esta tecnologia é excelente para estudos de investigação biomédica onde as amostras podem ser caras, escassas ou perigosas, e quando é necessário apenas um volume de amostra muito pequeno. Além disso, esses sensores não necessitam de nenhum procedimento de manutenção ou limpeza, pois podem ser descartados após a conclusão do ensaio, facilitando sua utilização em todos os tipos de pesquisas.
[1] Potencial de redução. Wikipédia. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Reduction_potential&oldid=1144568308 (acessado em 23/03/2023).
[2] Organização Mundial de Saúde. Padrões Internacionais para Água Potável (3ª Edição); 1971; Vol. 87. https://apps.who.int/iris/handle/10665/39989
[3] Hricova, D.; Stephan, R.; Zweifel, C. Água Eletrolisada e Sua Aplicação na Indústria Alimentícia. Jornal de Proteção Alimentar 2008, 71 (9), 1934–1947. DOI:10.4315/0362-028X-71.9.1934
[4] Okouchi, S.; Suzuki, M.; Sugano, K.; e outros. Água desejável para o corpo humano em termos de potencial de redução de oxidação (ORP) para relação com PH. Revista de Ciência Alimentar 2002, 67 (5), 1594–1598. DOI:10.1111/j.1365-2621.2002.tb08689.x
[5] Agarwal, A.; Bui, A. D. Potencial de redução da oxidação como novo marcador de estresse oxidativo: correlação com a infertilidade masculina. Urologia Investigativa e Clínica 2017, 58 (6), 385–399. DOI:10.4111/icu.2017.58.6.385
[6] Bjugstad, K. B.; Rael, L. T.; Levy, S.; e outros. Potencial de redução da oxidação como biomarcador de gravidade e resultado agudo em lesão cerebral traumática. Medicina Oxidativa e Longevidade Celular 2016, 2016. DOI:10.1155/2016/6974257
[7] Bar-Or, D.; Bar-Or, R.; Rael, L. T.; e outros. Estresse oxidativo em doenças agudas graves. Biologia Redox 2015, 4, 340–345. DOI:10.1016/j.redox.2015.01.006
[8] Cinza, D. M.; Jain, R. R.; Meeker, R. H. Controles ORP. Manual para engenheiros de instrumentos, quarta edição: controle e otimização de processos 2005, 2 (1985), 2032–2043. DOI:10.1016/b978-0-7506-2255-4.50131-8
[9] Killeen, D. J.; Boulton, R.; KNOESEN, A. Monitorização e Controlo Avançado do Potencial Redox na Fermentação do Vinho. Jornal Americano de Enologia e Viticultura 2018, 69 (4), 394–399. DOI:10.5344/ajev.2018.17063
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