原创：中科院物理所

(资料图)

我们经常听到或者看到因为司机酒驾而发生的交通事故，在事故的新闻报道中，经常会说司机的血液中酒精含量是多少，以及血液中酒精的法定限量是多少。例如，一名司机可能被检测血液中酒精含量为0.15，而法定上限是0.08。但这些数字意味着什么？警察如何确定具有酒驾嫌疑的司机是否属于合法摄入？你可能听说过呼气酒精测试仪，然而你更想知道一个人呼出的气体是如何显示其酒精的摄入量。

考虑到公共安全，禁止司机酒后驾车是很重要的。1999年，美国有4.2万人死于交通事故，其中38%与酒精有关。就算是能够通过摸鼻子或走直线的清醒测试的司机，其酒精的摄入量仍然可能超过血液酒精含量的法定上限，成为马路杀手。因此，警察使用一些最新的技术来检测具有酒驾嫌疑的司机的酒精浓度，并将他们带离马路。

许多执勤交警利用呼气酒精测试设备（呼气酒精测试仪是其中一种）来确定酒后驾驶嫌疑人的血液酒精浓度（BAC）。在本文中，我们将研究这些呼气酒精测试设备蕴藏哪些科学原理和技术。

酒后驾驶的法律依据是血液酒精浓度（BAC）水平。然而，在现场采集血液样本后在实验室分析，对于拘留涉嫌酒后驾驶（DWI）或醉酒驾驶（DUI）的司机来说，既不实际，也不高效。尿液酒精检测被证明和血液取样一样不切实际。我们需要的是一种能够在不侵入司机身体的情况下，测量与血液酒精浓度相关的指标的方法。

在20世纪40年代，呼气酒精测试装置首次被发明出来供警察使用。1954年，美国印第安纳州警察局的罗伯特•博肯斯坦博士（Dr. Robert Borkenstein）发明了呼气酒精测试仪，这种呼气酒精测试设备至今仍在执法机构中使用。

让我们来看看这些设备是基于什么工作原理。

一个人喝下去的酒精会被口腔、喉咙、胃和肠道吸收到血液中，然后以呼气的形式呼出体外。

酒精在摄入后不会被消化，也不会在血液中发生化学变化。由于酒精具有挥发性，所以当血液流经肺部时，能够从血液中蒸发，所以一些酒精会通过肺泡膜进入肺泡内的气体中。肺泡气体中的酒精浓度与血液中的酒精浓度相关，当肺泡气体中的酒精被呼出时，可以通过呼气酒精测试设装置进行检测。交警不必抽取司机的血液来检测他们体内的酒精含量，而是通过当场测试司机的呼吸，就可以马上知道司机是否属于酒后驾驶。

因为呼气中的酒精浓度与血液中的酒精浓度有关，所以交警可以通过测量呼气中的酒精含量来计算BAC。呼气中酒精含量和血液中酒精含量的比例是2100：1（译注：原文如此）。这意味着2100毫升肺泡空气所含的酒精与1毫升血液所含的酒精相同。

美国医学协会表示，当血液酒精浓度达到0.05时，人体就会受到损害。如果一个人的血液酒精浓度测量为0.08，也就意味着每100毫升血液中含有0.08克（80毫克）酒精。多年来，我国执行的醉酒驾驶标准是每百毫升血液中含酒精80毫克，下面将用0.08代替。

现在，交警有几种不同的设备可以测量BAC。

3. 呼气分析仪

呼气酒精分析设备主要有三种类型，它们基于不同的原理：

呼气酒精测试仪-利用与酒精发生化学反应产生颜色变化

呼气测醉仪-通过红外（IR）光谱检测酒精

酒精传感器III或IV-检测燃料电池中酒精的化学反应

无论是哪种类型，每个设备都有一个吹气口，一个供司机吹气的管子，以及一个储存空气的样本室。设备的其余部分根据类型不同而有所区别。

呼气酒精测试仪装置包含：

采集司机呼吸样本的系统

两个装有化学反应混合物的玻璃瓶

与仪表相连的光电池系统，用来测试与化学反应式相关的颜色变化

为了测量酒精含量，司机要对着仪器吹气。呼出的气体样本在一个小瓶中与硫酸、重铬酸钾、硝酸银和水的混合物反应。测量原理基于以下化学反应：

在这个反应中：

硫酸将空气中的酒精溶解成液体溶液。

乙醇与重铬酸钾反应生成：硫酸铬、硫酸钾、乙酸、水

硝酸银是一种催化剂，这种物质在不参与化学反应的情况下，加快反应进行。硫酸除了能从气体中转移酒精外，还可能为该反应提供所需的酸性条件。

在这个反应中，红橙色的重铬酸盐离子与醇反应时变成绿色的铬离子；颜色变化的程度与排出空气中的酒精含量直接相关。为了确定空气中的酒精含量，将反应的混合物与光电池系统中一瓶未反应的混合物进行比较，产生电流，使仪表中的针从静止位置移动。然后，操作者旋转旋钮，将针头带回原来的位置，这个过程旋钮旋转得越多，酒精含量就越高，从而读取酒精含量。

酒精的化学成分

酒精饮料中的酒精是乙醇，乙醇的分子结构是这样的：

其中C是碳，H是氢，O是氧，每个连接符是原子间的化学键。

分子上的羟基（O-H）是醇的官能团。这个分子中有四种键：

碳-碳（C-C）

碳-氢（C-H）

碳-氧（C-O）

氢-氧（O-H）

原子间的化学键是共用的电子对。化学键非常像弹簧：它们可以弯曲和拉伸。这些性质对红外光谱法检测样品中的乙醇具有重要意义。

呼气测醉器示意图。A石英灯（红外光源）， B吹气入口， C呼气出口， D样品室， E透镜， F过滤器叶轮， G光电管， H微处理器

这种设备利用红外光谱学，根据分子吸收的红外光来识别分子。

分子不断振动，当分子吸收红外光时，这些振动就会发生变化。振动的变化包括各种键的弯曲和拉伸。分子内的每种键吸收不同波长的红外线。因此，为了识别样品中的乙醇，你必须观察乙醇中化学键的波长（C-O, O-H, C-H, C-C）并测量对红外光的吸收。吸收的波长能够识别乙醇这种物质，红外吸收的量告诉你酒精含量。

在呼气测醉仪中:

灯产生宽带(多波长)红外光束。

通过样品室的宽带红外光束，由透镜聚焦到旋转滤光轮上。

过滤轮包含针对乙醇中化学键的波长的窄带过滤器。通过每个滤光片的光被光电池检测，并在这里被转换成电脉冲。

电脉冲被传送到微处理器，微处理器解读脉冲并根据红外光的吸收计算BAC。

现代燃料电池技术(将来可能为我们的汽车甚至家庭提供动力)已被应用于呼吸酒精检测仪。像酒精传感器III和IV这样的设备使用的燃料电池。

燃料电池有两个铂电极，中间夹着多孔酸电解质材料。当司机呼出的气体流过燃料电池的一侧时，铂会氧化气体中的全部酒精，产生乙酸、质子和电子。电子从铂电极流过导线。导线连接到电流计和另一端的铂电极上。质子穿过燃料电池的下部，与氧和另一侧的电子结合形成水。被氧化的酒精越多，电流就越大。微处理器测量电流并计算BAC。

呼气酒精测试装置的操作人员都必须接受设备使用和校准方面的培训，特别是如果测试结果将用作酒后驾车检测的证据。执法人员可以携带与全尺寸设备原理相同的便携式呼吸测试设备。然而，法官的判决可能会依据于呼吸测试的检测准确性，因此检察官更倾向于从全尺寸设备获得结果。

酒精的氧化

如果在氧气存在的情况下，从乙醇右边的碳上去掉氢，就会得到醋酸，这是醋的主要成分。乙酸的分子结构是这样的:

其中C是碳，H是氢，O是氧，连接符是原子间的单键，符号“=”是原子间的双键。当乙醇氧化成乙酸时，也产生两个质子和两个电子。

作者：Craig Freudenrich

翻译：深浅

审校：扫地僧

原文链接：How Breathalyzers Work