Makaleyi paylaş
Metabolizma, birbiriyle ilişkili redoks sistemlerinin hassas bir mekanizmasına dayandığından, kararlı ORP seviyelerinin korunması, vücudumuzun doğru işlevselliğinde özel bir rol oynamaktadır. Son yıllarda, daha iyi bir yaşam kalitesi elde etmek için antioksidanların kullanımına ilişkin artan bir endişe ortaya çıkmıştır. Bunun bir örneği, normal musluk suyundan daha az oksitleyici bir yapı sergileyen sudur. Bu özel suya olan talep son yıllarda içeceklerde, yiyeceklerde, banyolarda, yapay vücut sıvılarında, kozmetiklerde, cilt bakım ürünlerinde ve diğer amaçlarla kullanım için artmıştır [4].
Redoks potansiyeli olarak da bilinen yükseltgenme-indirgenme gerilimi (ORP), lavabonun musluğunu açmak gibi günlük rutinlerimizin çoğunu etkilemektedir. ORP (milivolt, mV cinsinden ifade edilir), bir kimyasal türün bir elektrottan elektron alma (veya elektron kaybetme) ve dolayısıyla sırasıyla indirgenme veya yükseltgenme eğiliminin bir ölçüsüdür [1]. Bu parametre, çeşitli numune matrislerindeki kimyasal türlerin durumlarını tahmin etmek, su kalitesini izlemek, fermantasyon süreçlerini kontrol etmek ve düzenleme limitlerinin izin verdiğinden daha yüksek madde konsantrasyonlarının salınmasını önlemede atık su arıtımını optimize etmek için kullanılabilmektedir. ORP değerlerinin ölçümü, prosesi kolaylaştırmak için halihazırda mevcut enstrümantasyonun iyileştirilmesini gerektiren birçok endüstriyel sektörde devam eden bir işlemdir.
Su klorlama alanında ORP'nin önemi
1854'te Londra'da sadece yarım kilometre çapındaki bir bölgede kolera salgını sonucu bir ay içinde 600'den fazla insan öldüğünde bir halk sağlığı acil durumu ortaya çıkmıştır. İngiliz bir doktor olan John Snow, yerel sakinlerle konuşmuş ve bölgedeki kolera oluşumlarını gösteren bir harita oluşturarak salgının kaynağını, dışkıyla kirlenmiş bir kuyudan içme suyu sağlayan umumi bir su pompası olarak tanımlamıştır. Pompanın kolu çıkarılarak kirlenen kuyunun daha fazla kullanılması engellenmiş ve salgın durdurulmuştur. John Snow, araştırmaları nedeniyle modern epidemiyolojinin kurucularından biri haline gelmiş ve bunun sonucunda insani tüketim için su arıtmanın önemi artmaya başlamıştır.
Savaş sırasında (I. Dünya Savaşı) askerlere temiz içme suyu sağlamak için su arıtma aparatlı kamyon. İlk mobil su arıtma cihazlarının icat edilmesinden bu yana bir asırdan fazla zaman geçti. Gelişmekte olan ülkelerde ve afet bölgelerinde yaşayanların yanı sıra uzak yerlerdeki askeri personel ve işçiler için temiz su sağlamaya devam ediyorlar.
İçme suyu kalitesi açıkça kritik bir halk sağlığı sorunudur. Kuyulardan ve çeşmelerden gelen suyun kalitesine güvenilemiyorsa, o zaman şehirlerde binlerce (veya milyonlarca) insana mikropsuz içme suyu sunmak nasıl mümkün olabilir? Öte yandan, temiz suya her zaman kolayca erişilemeyen kırsal veya vahşi alanlar ne olacak? Bu soruların cevabı klorlama ile su arıtma prosesinde yatmaktadır.
Klor (Cl2) elemental formunda zehirli bir gazdır. Cl2 suya eklendiğinde, bakteri hücre duvarlarında değişikliklere neden olarak, içindeki proteinleri ve DNA'yı yok etmektedir. Bu, klorun mikroorganizmaları öldürdüğü mekanizma olup, ölene kadar yaşamsal işlevlerini etkileyerek onları hastalık yayamaz hale getirmektedir. Belediye su sistemlerini dezenfekte etmek için klor eklenmesi, bulaşıcı kolera, tifüs, dizanteri ve çocuk felcine yakalanma riskini en aza indirmektedir.
Su klorlama elementer klor gazı kullanılarak yapılabilmek ile birlikte, sıvı sodyum hipoklorit veya katı kalsiyum hipoklorit kullanmak çok daha güvenlidir. Bu bileşikler, hastalığa neden olan mikroplara saldıran ve klor dezenfeksiyon sürecini daha çok yönlü ve kullanıcı dostu hale getiren kalıntı «serbest klor» üreterek suyu klorlamaktadır.
Klor zehirli bir element olduğu için suya ne kadar eklendiğini kontrol etmenin bir yöntemi var mı diye merak edebilirsiniz. Yükseltgenme-indirgenme potansiyeli (ORP) ölçümü bu konuda güvenilir bir çözüm sunmaktadır.
ORP sensörleri ile ölçüm kavramı
ORP, bir maddenin başka bir maddeyi yükseltgeme veya indirgeme yeteneğini ölçmektedir. Örnek olarak, bir oksidan başka bir maddeden elektron çalmayı tercih ederek kendini daha negatif yüklü hale getirmekte ve diğer maddeyi pozitif olarak yüklemektedir. Bu eylem, iki madde arasında saptanabilir bir gerilim oluşturmaktadır.
Pratik anlamda ORP, yükseltgenme-indirgenme reaksiyonları sırasında geçiş halindeki elektronların doğrudan ölçümüdür. Bu nedenle ORP, bir çözeltinin elektron transferi (yükseltgenme veya indirgenme) kapasitesini değerlendirmekte ve milivolt (mV) cinsinden ölçülmektedir. Bu, oksidatif koşullarda, çözeltiye daldırılan çalışma elektrotunun elektronlarını kaybederek pozitif bir gerilim oluşturduğu anlamına gelmektedir. Aksine, indirgeyici bir ortamda, elektronlar çözeltiden çalışan elektrota akarak negatif bir gerilim üretmektedir. Bir indirgeyici bir elektron kaybederken, yükseltgen bir elektronu kabul edebilir. Dolayısıyla, güçlü indirgeyicilerin daha negatif bir ORP değerine neden olduğu, daha güçlü oksidanların ise daha pozitif bir ORP değerine yol açtığı söylenebilir. Bu kavram aşağıda gösterilmiştir.
Redoks reaksiyonu konseptinin gösterimi ve ORP ile ilişkisi. Çözeltiye ne kadar oksidan eklenirse, ORP değeri o kadar yüksek olmaktadır.
Bir ORP sensörünün amacı, üretilen bu küçük gerilim farklarını ölçmektir. Bu, bir çalışma elektrodu (devrenin pozitif kutbu, genellikle inert bir malzemeden, örneğin platin veya altından yapılır) ve çözeltiye daldırılmış bir referans elektrottan (negatif kutup) oluşan bir devre aracılığıyla mümkün olmaktadır. Oluşturulan milivolt geriliminin miktarı, test edilen çözeltideki oksidanların ve indirgeyicilerin konsantrasyonuna bağlıdır.
Basit bir marul yıkama işlemi bile tehlikeli olabilir ve su kaynağına klorlama uygulanmayan yerlerde önerilmez.
Yükseltgeyici bir mikrobiyositin (örn. klor) varlığı yükseltgeyici bir ortam yaratır ve bu nedenle yüksek düzeyde ORP'ye neden olur. Bu, mikropların genellikle çoğaldığı daha düşük ORP değerlerine sahip indirgeyici ortamların tersidir. ORP'nin suda kontrol altında tutulması, klorlamayı daha güvenli bir prosedür haline getirir. 1971'de Dünya Sağlık Örgütü (WHO), "650 mV'lik bir redoks potansiyelinin (platin ve standart kalomel referans elektrotları arasında ölçülen) yüksek virüs konsantrasyonlarının bile neredeyse anında etkisizleşmesine neden olacağını" belirtmiştir [2]. Bu değer daha sonra insan güvenliği için minimum ORP seviyesi olarak önerilmiş ve halka açık yüzme havuzları ve kaplıcalar mevzuatında uygulanmıştır.
Son yıllarda, elektrolize su (EW) birçok ülkede gıda endüstrisinde dezenfektan olarak popülerlik kazanmıştır. Bu teknoloji 40 yılı aşkın bir süredir var olmasına rağmen, bu tür çözümler üreten şirketler küresel pazara ancak yakın zamanda yaklaşabilmiştir. Bu klor bazlı dezenfektan, asidik elektrolize suya (ORP değeri >1100 mV) ve bazik elektrolize suya (ORP değeri -800 ile -900 mV arasında) ayrışan seyreltik sodyum klorür (NaCl) çözeltisinin elektrolizinin ürünüdür. Bu teknolojiyi geniş çapta erişilebilir hale getirerek su kaynağının klor ile dezenfeksiyonu, teknolojinin az gelişmiş olduğu yerlerde hayat kurtarmaya devam ediyor [3].
Uygulama örnekleri – gerçek hayat durumlarında ORP izleme
İçme suyu kalitesi ve halk sağlığı üzerindeki etkileri ile ilgili bu makalenin başında verdiğimiz örnek, ORP değerlerinin kontrolünün gerekli olduğu günlük hayatımızı etkileyen sayısız süreçten sadece bir tanesidir. Bunların bir kısmı aşağıda yer almakta ve ardından birçok endüstriyel süreç için ORP kontrol aralıklarını gösteren bir grafik sunulmaktadır.
Su kültürü örneği: Norveç'te bir balık çiftliği.
Deniz suyunda ORP okumaları 400 mV civarındayken, maden suyunda 250 mV civarında bir değere sahiptir. Kaplıcalar, güzellik merkezleri veya yüzme havuzlarındaki suya benzer şekilde, denizdeki düşük ORP değerleri kontrolsüz mikrobiyolojik aktivite ile ilişkili olabilmekte ve daha yüksek değerler oksidan kontaminasyonu ile ilişkili olabilmektedir. Bu, su ürünleri yetiştiriciliği ve balık yetiştiriciliği operasyonlarında sadece ortamın pH'ına değil, aynı zamanda ORP ölçümüne de özel dikkat göstermesinin bir nedenidir.
Yaşlanma, basitçe zaman içinde moleküler ve hücresel hasarın birikmesinin sonucudur. Bu şekilde oksidatif stres, artrit, diyabet, bunama ve hatta kanser gibi yaşa bağlı hastalıkların gelişiminde çok önemli bir rol oynar. Bu nedenle, oksidanlara maruz kalmamızı sınırlamak sadece kozmetik bir kaygı değil, aynı zamanda uzun vadeli sağlığımız için de önemlidir.
Oksidatif stres, hücrelerde ve dokularda reaktif oksijen türlerinin üretimi ve birikimi arasındaki dengesizliğin neden olduğu bir olgudur. Biyolojik sistemler bu reaktif ürünleri doğal olarak detoksifiye edebilse de, hastalık veya kirleticilerin varlığı dengeyi bozabilmektedir. Bu bozulma ORP ölçümleri ile izlenebilmekte ve oksidatif stres ve etkilerinin tespit edilmesini mümkün kılmaktadır. Bunlar erkek infertilitesi [5], beyin lezyonlarının gelişimi [6] ve miyokard enfarktüsü, sepsis veya birden fazla türde travma [7] olan hastalardaki sorunları içerebilmektedir.
Oksidatif stres ve kirleticiler hücrelere, proteinlere ve nükleik asitlere zarar vererek yaşlanmaya ve nihayetinde hücre ölümüne katkıda bulunabilir. Su kaynağının klorlanması kontrol edilmezse, yüksek oksidan içeriği hastalığa neden olan mikrop popülasyonlarının kontrol altında tutulmasına benzer bir şekilde kendi hücrelerimize de zarar verebilir.
Kirleticiler sadece hücrelerde ve dokularda oksidatif stresi teşvik etmekten sorumlu kalmayıp, aynı zamanda birçok insan ve hayvan hastalığı ile de ilişkili olabilirler. Bu nedenle ORP kontrolü, önemli sayıda biyolojik sürecin kontrol edilmesi gereken atık su arıtma endüstrisinde iyi bilinmektedir. Mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilen biyokimyasal reaksiyonlar, istenen biyoremediasyon reaksiyonlarını (örn. nitrifikasyon veya fermantasyon proseslerindekiler) desteklemek için belirli bir ORP aralığında tutulmalıdır.
Metal kaplama endüstrisinden kaynaklanan atık sular bir başka güzel örnektir. Krom ve siyanürün toksik etkilerinin üstesinden gelebilmek için bu kirleticilerin bulunduğu atıksudaki ORP değerleri sırasıyla 250 mV'un altında ve 450 mV'un üzerinde olmalıdır [8].
Tekstil boyama, fermantasyon, su ve atıksu arıtma dahil olmak üzere çeşitli endüstriyel işlemlerin ORP kontrol aralıklarını gösteren grafik.
Baskı devre elektrotlar, mikro hacimlerdeki numunelerle çalışmak üzere özel olarak tasarlanmış tek kullanımlık aygıtlardır.
Baskı devre elektrotlar (SPE'ler) ile ORP ölçümü
ORP, önceki bölümlerde gösterildiği gibi birçok farklı durumda kontrol edilmesi gereken çok kullanışlı bir parametredir. Bunlar, açık alanlarda büyük miktarlarda numune ölçmenin gerekli olduğu endüstriyel alanları ve minimum miktarda biyolojik numunenin test edilmesi gereken laboratuvarda tezgah ölçekli analizleri içermektedir.
ORP ölçümünün kullanımı çok çeşitlidir ve karmaşık olabilmektedir. Pek çok alandaki gereksinimleri karşılamak için enstrüman geliştirmek kolay olmamakla birlikte, ekipmanların minyatürleştirilmesi ve tek kullanımlık sensörlerin (örn. SPE'ler) geliştirilmesi sayesinde daha uygulanabilir hale gelmiştir.
ORP'yi ölçmesi gereken çeşitli endüstrilerden gelen çok sayıda gereksinim, SPE'ler ve minyatür aletler kullanıldığında kazanılan avantajlarla mükemmel bir şekilde uyum sağlamaktadır. Bunlar arasında taşınabilirlik, erişilebilirlik, atılabilirlik, küçük örnekleme boyutları ve güvenilirlik yer almaktadır.
Bu avantajlar, Metrohm DropSens ORP kitini kullanırken fazlasıyla netleşmektedir. ORP kiti, yükseltgenme-indrigenme gerilimini ölçmek için eksiksiz, hepsi bir arada bir çözümdür. Bu kit, bir ORP analizine devam etmek için gerekli tüm bileşenleri içermektedir: ORPSTAT (ana cihaz), ORPSEN (tek kullanımlık sensörler) ve ORPSTD (redoks standart çözeltisi).
Metrohm DropSens kullanıma hazır ORP kiti, yerinde ORP analizi yapmak için gerekli tüm bileşenleri içermektedir - dahili depolama, tek kullanımlık sensörler ve bir redoks standart çözeltisi ile pille çalışan portatif bir potansiyostat.
- Saha ölçümleri için taşınabilirlik bir zorunluluktur. Minyatürleştirme sayesinde, ORPSTAT gibi potansiyostatlar, örneğin ORP değerinin bir LCD ekranda kolayca kontrol edilebildiği kullanıcı dostu bir arayüz sunmaktadır. Li-ion pille çalışan bu taşınabilir ekipman, 9,0 × 6,0 × 2,5 cm (U × G × D) boyutunda kompakt ve yalnızca 100 g ağırlığındadır.
- Özellikle laboratuvarda tarama veya sahada örnekleme gerektiğinde, çok sayıda ORP değerini inceleyebilmek için verilere erişilebilirlik gereklidir. Metrohm DropSens ORP kiti, kullanıcılara yalnızca sonuçları LCD ekranda kontrol etme olanağı sağlamakla kalmamakta, aynı zamanda dahili veri depolama olanağı da sunmaktadır. Elde edilen tüm ORP değerleri, cihazın dahili belleğinde saklanmakta ve daha fazla erişim ve değerlendirme için bir PC'ye indirilebilmektedir.
- Tek kullanımlık olması, karmaşık numunelerle çalışırken cihazın ve özelliklerin kullanımını kolaylaştırmaktadır. Metrohm DropSens ORP kiti, pahalı, az bulunan veya tehlikeli numunelerde (örn. biyolojik numuneler veya atıksu) yerinde ORP ölçümleri yapmak için en uygun sistemdir. Tek kullanımlık sensörlerle (ORPSEN SPE'ler) ölçüm, kullanıcılara bu tür numuneleri ölçtükten sonra ORP probunu temizlemekten kaçınma avantajı sağlamaktadır. Bu, özellikle karmaşık sulu matrislerin yaygın olarak test edildiği endüstriyel alanda kullanışlıdır.
- Küçük numune boyutu gereksinimleri, daha az numuneye ihtiyaç duyulduğu anlamına gelmektedir; bu, özellikle biyolojik sıvıları test ederken yararlıdır. Minyatürleştirme, ORP cihazını tartışırken kullanıcılara yalnızca taşınabilirlik sağlamakla kalmaz, aynı zamanda ORPSEN SPE'ler sayesinde merkezi olmayan veya «Bakım Noktası» (PoC) test tahlillerini çalıştırmak için yalnızca 60 µL numune hacminin yeterli olmasını da sağlar.
- Güvenilirlik, her tür sensörde arzu edilen bir özelliktir, ancak doğru aralıkların tam olarak kontrol edilmesi gerektiğinden ORP için kesin bir zorunluluktur. ORPSEN elektrotları, çeşitli uygulama alanlarındaki gereksinimleri karşılamak için ORP değerlerini yeterli hassasiyetle ölçebilmektedir. Ek olarak, ORP ölçümlerinin doğruluğunu kontrol etmek için bu sensörlerle birlikte bir redoks standart çözeltisi (ORPSTD) de sunulmaktadır.
Özet
Minyatür bir potansiyostatla çalışmak, sahada daha kolay ORP ölçümlerine olanak tanırken, tek kullanımlık baskı devre elektrotların kullanılması, sağlıksız koşullarda veya geleneksel elektrotların veya diğer sistemlerin yeterince parlatılamadığı veya temizlenemediği durumlarda bu tür ölçümlere izin vermektedir. Metrohm DropSens güvenilir, kullanımı kolay ve tekrarlanabilir ORP ölçümü için eksiksiz bir kit sunmaktadır: ORP kiti.
Baskı devre teknolojisi, kullanıcılara çevresel testler, tarım-gıda, biyoteknoloji ve endüstriyel süreçlerin kalite kontrolü gibi alanlarda çalışma olanağı vermektedir. Ek olarak, bu teknoloji, numunelerin pahalı, kıt veya tehlikeli olabileceği ve yalnızca çok küçük bir numune hacminin gerekli olduğu biyomedikal araştırma çalışmaları için de mükemmeldir. Ayrıca bu sensörler, herhangi bir bakım veya temizlik işlemi gerektirmediğinden, tahlil tamamlandıktan sonra atılabilmeleri her türlü araştırmada kullanımlarını kolaylaştırmaktadır.
[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
[10] Mitacek, R. M.; Ke, Y.; Prenni, J. E.; et al. Mitochondrial Degeneration, Depletion of NADH, and Oxidative Stress Decrease Color Stability of Wet-Aged Beef Longissimus Steaks. Journal of Food Science 2019, 84 (1), 38–50. DOI:10.1111/1750-3841.14396
[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
