我們經常聽到或者看到因為司機酒駕而發生的交通事故，在事故的新聞報道中，經常會說司機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，一名司機可能被檢測血液中酒精含量為 0.15，而法定上限是 0.08。但這些數字意味著什么？警察如何確定具有酒駕嫌疑的司機是否屬于合法攝入？你可能聽說過呼氣酒精測試儀，然而你更想知道一個人呼出的氣體是如何顯示其酒精的攝入量。

考慮到公共安全，禁止司機酒后駕車是很重要的。1999 年，美國有 4.2 萬人死于交通事故，其中 38% 與酒精有關。就算是能夠通過摸鼻子或走直線的清醒測試的司機，其酒精的攝入量仍然可能超過血液酒精含量的法定上限，成為馬路殺手。因此，警察使用一些最新的技術來檢測具有酒駕嫌疑的司機的酒精濃度，并將他們帶離馬路。

許多執勤交警利用呼氣酒精測試設備（呼氣酒精測試儀是其中一種）來確定酒后駕駛嫌疑人的血液酒精濃度（BAC）。在本文中，我們將研究這些呼氣酒精測試設備蘊藏哪些科學原理和技術。

1. 為什么要測試

酒后駕駛的法律依據是血液酒精濃度（BAC）水平。然而，在現場采集血液樣本后在實驗室分析，對于拘留涉嫌酒后駕駛（DWI）或醉酒駕駛（DUI）的司機來說，既不實際，也不高效。尿液酒精檢測被證明和血液取樣一樣不切實際。我們需要的是一種能夠在不侵入司機身體的情況下，測量與血液酒精濃度相關的指標的方法。

在 20 世紀 40 年代，呼氣酒精測試裝置首次被發明出來供警察使用。1954 年，美國印第安納州警察局的羅伯特?博肯斯坦博士（Dr. Robert Borkenstein）發明了呼氣酒精測試儀，這種呼氣酒精測試設備至今仍在執法機構中使用。

讓我們來看看這些設備是基于什么工作原理。

2. 測試原理

一個人喝下去的酒精會被口腔、喉嚨、胃和腸道吸收到血液中，然后以呼氣的形式呼出體外。

酒精在攝入后不會被消化，也不會在血液中發生化學變化。由于酒精具有揮發性，所以當血液流經肺部時，能夠從血液中蒸發，所以一些酒精會通過肺泡膜進入肺泡內的氣體中。肺泡氣體中的酒精濃度與血液中的酒精濃度相關，當肺泡氣體中的酒精被呼出時，可以通過呼氣酒精測試設裝置進行檢測。交警不必抽取司機的血液來檢測他們體內的酒精含量，而是通過當場測試司機的呼吸，就可以馬上知道司機是否屬于酒后駕駛。

因為呼氣中的酒精濃度與血液中的酒精濃度有關，所以交警可以通過測量呼氣中的酒精含量來計算 BAC。呼氣中酒精含量和血液中酒精含量的比例是 2100：1（譯注：原文如此）。這意味著 2100 毫升肺泡空氣所含的酒精與 1 毫升血液所含的酒精相同。

美國醫學協會表示，當血液酒精濃度達到 0.05 時，人體就會受到損害。如果一個人的血液酒精濃度測量為 0.08，也就意味著每 100 毫升血液中含有 0.08 克（80 毫克）酒精。多年來，我國執行的醉酒駕駛標準是每百毫升血液中含酒精 80 毫克，下面將用 0.08 代替。

現在，交警有幾種不同的設備可以測量 BAC。

3. 呼氣分析儀

呼氣酒精分析設備主要有三種類型，它們基于不同的原理：

• 呼氣酒精測試儀-利用與酒精發生化學反應產生顏色變化

• 呼氣測醉儀-通過紅外（IR）光譜檢測酒精

• 酒精傳感器 III 或 IV-檢測燃料電池中酒精的化學反應

無論是哪種類型，每個設備都有一個吹氣口，一個供司機吹氣的管子，以及一個儲存空氣的樣本室。設備的其余部分根據類型不同而有所區別。

呼氣酒精測試儀

呼氣酒精測試儀裝置包含：

• 采集嫌疑人呼吸樣本的系統

• 兩個裝有化學反應混合物的玻璃瓶

• 與儀表相連的光電池系統，用來測試與化學反應式相關的顏色變化

為了測量酒精含量，司機要對著儀器吹氣。呼出的氣體樣本在一個小瓶中與硫酸、重鉻酸鉀、硝酸銀和水的混合物反應。測量原理基于以下化學反應：

在這個反應中：

硫酸將空氣中的酒精溶解成液體溶液。

乙醇與重鉻酸鉀反應生成：硫酸鉻、硫酸鉀、乙酸、水

硝酸銀是一種催化劑，這種物質在不參與化學反應的情況下，加快反應進行。硫酸除了能從氣體中轉移酒精外，還可能為該反應提供所需的酸性條件。

在這個反應中，紅橙色的重鉻酸鹽離子與醇反應時變成綠色的鉻離子；顏色變化的程度與排出空氣中的酒精含量直接相關。為了確定空氣中的酒精含量，將反應的混合物與光電池系統中一瓶未反應的混合物進行比較，產生電流，使儀表中的針從靜止位置移動。然后，操作者旋轉旋鈕，將針頭帶回原來的位置，這個過程旋鈕旋轉得越多，酒精含量就越高，從而讀取酒精含量。

酒精的化學成分

酒精飲料中的酒精是乙醇，乙醇的分子結構是這樣的：

其中 C 是碳，H 是氫，O 是氧，每個連接符是原子間的化學鍵。

分子上的羥基（O-H）是醇的官能團。這個分子中有四種鍵：

• 碳-碳（C-C）

• 碳-氫（C-H）

• 碳-氧（C-O）

• 氫-氧（O-H）

原子間的化學鍵是共用的電子對。化學鍵非常像彈簧：它們可以彎曲和拉伸。這些性質對紅外光譜法檢測樣品中的乙醇具有重要意義。

4. 呼氣測醉器

這種設備利用紅外光譜學，根據分子吸收的紅外光來識別分子。

分子不斷振動，當分子吸收紅外光時，這些振動就會發生變化。振動的變化包括各種鍵的彎曲和拉伸。分子內的每種鍵吸收不同波長的紅外線。因此，為了識別樣品中的乙醇，你必須觀察乙醇中化學鍵的波長（C-O, O-H, C-H, C-C）并測量對紅外光的吸收。吸收的波長能夠識別乙醇這種物質，紅外吸收的量告訴你酒精含量。

在呼氣測醉儀中:

• 燈產生寬帶 (多波長) 紅外光束。

• 通過樣品室的寬帶紅外光束，由透鏡聚焦到旋轉濾光輪上。

• 過濾輪包含針對乙醇中化學鍵的波長的窄帶過濾器。通過每個濾光片的光被光電池檢測，并在這里被轉換成電脈沖。

• 電脈沖被傳送到微處理器，微處理器解讀脈沖并根據紅外光的吸收計算 BAC。

5. 酒精傳感器 III 或 IV

現代燃料電池技術 (將來可能為我們的汽車甚至家庭提供動力) 已被應用于呼吸酒精檢測儀。像酒精傳感器 III 和 IV 這樣的設備使用的燃料電池。

燃料電池有兩個鉑電極，中間夾著多孔酸電解質材料。當嫌疑人呼出的氣體流過燃料電池的一側時，鉑會氧化氣體中的全部酒精，產生乙酸、質子和電子。電子從鉑電極流過導線。導線連接到電流計和另一端的鉑電極上。質子穿過燃料電池的下部，與氧和另一側的電子結合形成水。被氧化的酒精越多，電流就越大。微處理器測量電流并計算 BAC。

呼氣酒精測試裝置的操作人員都必須接受設備使用和校準方面的培訓，特別是如果測試結果將用作酒后駕車檢測的證據。執法人員可以攜帶與全尺寸設備原理相同的便攜式呼吸測試設備。然而，法官的判決可能會依據于呼吸測試的檢測準確性，因此檢察官更傾向于從全尺寸設備獲得結果。

酒精的氧化

如果在氧氣存在的情況下，從乙醇右邊的碳上去掉氫，就會得到醋酸，這是醋的主要成分。乙酸的分子結構是這樣的:

其中 C 是碳，H 是氫，O 是氧，連接符是原子間的單鍵，符號“=”是原子間的雙鍵。當乙醇氧化成乙酸時，也產生兩個質子和兩個電子。

作者：Craig Freudenrich

翻譯：深淺

審校：掃地僧

原文鏈接：HowBreathalyzers Work

本文來自微信公眾號：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Freudenrich

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總結

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