氮气的窒息性风险特点与窒息原理阐释
转载。
王继刚
N2的性质非常稳定且非常容易获取，在科研院所的教学科研活动以及企业的生产经营过程中，N2被广泛应用于吹扫、惰化、密封等领域，是最为常见、用量也最大的气体种类之一。针对氮气相关的事故非常多，因N2窒息导致的伤亡也是所有气体中最多的。尽管也有非常多的文章或教育培训对N2窒息事故进行介绍，但人们对N2的窒息伤害的重视与防范管理依旧变化不大。
导致上述现象的重要原因之一，就是一线师生甚至很多安全检查或管理人员，对氮气窒息伤害的了解并不深入，大多数的教育培训或文章交流基本停留于对氮气窒息事故的通报介绍，对众所周知的“窒息性气体”属性以及“安装氧含量监测报警装置”等基本信息进行重复再强调，但很少有人真正知晓N2的窒息危害特点，导致大众对N2窒息风险的警惕与防范依然重视不够。
作为大气环境中的最主要气体，N2含量达到78.1%，是空气中含量最多的气体。相应的，人们进行呼吸时，其实接触最多的还是N2，也使得人体对N2非常熟悉且具有良好的亲和性。而且N2无色无味，这就使得人们无法仅凭感官判断空气中N2浓度是否超标。但由于N2浓度的异常升高，将导致空气中的O2浓度的相应降低，从而导致“缺氧窒息”。当吸入浓度不太高的N2时，由于缺氧造成的影响，最初会感到胸闷、气短、疲软无力，继而会出现烦躁不安、极度兴奋、乱跑、叫喊、神情恍惚、步态不稳的症状，称之为“氮酩酊”，会进入昏睡或昏迷状态。但如果吸入纯氮或高浓度的N2（大于90%），则非常容易出现“闪电死亡”。作者将结合国内外的一些典型案例，对N2的窒息危害特点进行解读，以期通过提供更多更深入的信息，警醒实验室及安全管理人员关注并防范N2的窒息风险。
在副主任医师边敏等撰写的文章中介绍了一些氮气窒息的事故案例[2]，其中一则案例非常值得关注。即一名工人在乙烯球罐顶部，仅仅是通过罐顶人孔俯身查看时吸入了一口高浓度氮气就坠入球罐且抢救无效死亡。在该文中特别强调：“氮气‘无毒’并不是‘无害’。过量的氮气会剥夺人类赖以生存的氧气，导致窒息，甚至在几秒内就可以导致人员死亡。哪怕仅仅是将头探入富含氮气的人孔里，都有可能导致窒息。如在案例3中，—名工人在俯身向人孔内进行查看时，吸入高浓度氮气瞬间昏迷坠入罐中”。
在上述案例中应可注意到，区别于实验室相对密闭的空间，乙烯球罐顶部是开放场所，空气流通不受任何阻碍，而工人仅仅是在罐顶人孔处吸入一口高浓度氮气就昏迷坠入罐内，虽经抢救依然死亡，呈现出“伤害来的快”的特点！因此，区别于人们主观印象中的“窒息”挣扎逃生过程，对于呼吸到高浓度氮气之后的人员瞬间就会昏迷甚至死亡，因此将导致氮气窒息人员来不及反应，没有时间或机会进行逃生。
值得注意的是，N2窒息死亡还是“无痛苦”的过程。澳大利亚医生菲利普 · 尼奇克（Philip Nitschke）和荷兰设计师亚历山大·班尼克（Alexander Bannink）联合，基于 3D 打印技术制造了颇具科幻感的 “Sarco”安乐死胶囊仓（图1）[3]。一些寻求安乐死的人员躺在充满氮气的胶囊仓中，没有痛苦的离开人世。
图1 充入氮气进行安乐死的“Sarco”胶囊仓[3]
另据报道[4]，2018年美国阿拉巴马州众议院就通过了一项法律，允许在死刑中使用N2（前提是没有条件执行注射死刑）。共和党人吉姆·希尔在辩论中表示：“氮气会让他们入睡，这种方法人性化、快速、无痛”。而在此之前，俄克拉荷马州和密西西比州也已通过了类似法案。据美国化学安全与危害调查委员会（CSB）的说法，对人类来说，呼吸纯N2或其它类似的惰性气体仅一两次后，人就会失去知觉，感受不到任何痛苦了，是非常适合死刑的手段。经过讨论，美国最高法院以6:3通过了氮气死刑，美国时间2024年1月25日星期四晚8点25分，58岁的Kenneth Smith在阿拉巴马州的惩教所里离开了这个世界[5]，成为全世界第一个被该方法处决的人（图2）。
图2 Kenneth Smith 成为第一个接受氮气窒息死刑的人 [5]
不过令人意外的是，Smith在接受N2窒息死刑的过程中，“在轮床上剧烈地摇晃和扭动”。Smith的精神顾问杰夫·胡德牧师（Rev. Jeff Hood）在新闻发布会上称，在执行前一天，Smith非常担心执行会出错，“他非常害怕这件事，恐惧的心情一直折磨着他”。加之2022年静脉注射死刑的失败过程让Smith经受了数小时的痛苦折磨并且留下了深刻阴影，因此在接受N2窒息死刑的过程中竭力挣扎抗拒，此外在执行过程中还很容易出现N2面罩贴合密封不严等情况，从而导致Smith的N2窒息死刑过程出现了区别于其他“安乐死”案例的情况。
影视剧中大量的掐勒脖颈或溺水等“窒息”伤害场景，使得大众非常容易对“窒息”产生自然而然地观点，即“窒息”存在着难受痛苦，且竭力挣扎反抗试图规避的过程。对上述主观性的认识误区，其根本原因可归因于对“氮气窒息原理”的不了解，进而也导致实验室在重视与应对N2的安全防控方面存在不足。通过对“氮气窒息原理”的解析，将有助于理解N2窒息“伤害来的快”、“过程无痛苦”的这两个特点。
人类在呼吸时，吸入的气体顺着支气管在肺叶里的各级分支，最终到达支气管最细的分支末端，即肺泡。对于成人而言，这些由单层上皮细胞构成的半球状囊泡，总数可达3～4亿个肺泡，总面积近100m2。肺泡外面包绕着丰富的毛细血管。通过毛细血管壁和肺泡壁之间的传递，实现氧气（O2）和二氧化碳（CO2）的交换。而O2和CO2在毛细血管壁和肺泡壁之间的传递交换，与其分压有着密切的关系。众所周知，混合气体中气体的扩散方向由其分压决定，而气体的分压又与浓度密切相关，即浓度越高则分压也越大。人体肺泡的肺泡壁为双向膜，O2穿过肺泡膜的方向取决于肺泡膜两侧的O2浓度（也即分压），在肺泡内的O2浓度大于一定值时，O2才会穿过肺泡壁进入血液，同时CO2穿过肺泡壁进入肺泡，完成O2和CO2的交换（图3）。
正常情况下，在吸气时空气中的O2透过肺泡壁和毛细血管壁进入血液，红细胞在肺内获得O2并将之输运到全身各处组织、器官；同时，血液中的CO2也透过这毛细血管壁和肺泡壁进入肺泡，然后随着呼气过程排出体外（图4A）。
图3 血液循环与气体交换
尽管每时每刻人类都在呼吸着O2，但人体对O2浓度的变化并不敏感，而对CO2浓度的变化却很敏感。吸入纯N2或高浓度N2时，体内的CO2基本不受影响，仍旧可以正常地从肺部排出，即体内的CO2浓度仍处于正常状态，所以并不会产生窒息的不适感。这就导致了N2窒息“过程无痛苦”。
在吸入异常浓度的N2，即O2含量≤19.5%时，特别是人体吸入不含氧气或氧气浓度极低的气体，肺泡内的O2浓度迅速降低，虽然人员没有窒息的不适感，但由于吸入O2的分压下降，血管内的O2和CO2会同时进入肺泡，即出现所谓的“反渗透（Reverse Osmosis）现象”。即红细胞会从身体的组织器官中抽取O2（特别是从脑组织）去支持没有O2的肺部，即“全身的O2会被血液循环系统倒抽到肺部”（图4B）。
图4 正常呼吸(A)与发生反渗透(B)情况下，
毛细血管与肺泡之间不同的的气体交换状态
此时，人体动脉内的血液在5-7秒内就会降到过低水平，紧接着将在10-12秒甚至更短时间内使人体产生晕厥，可谓是“伤害来的快”。也正由于迅速晕厥，窒息人员还来不及感到难受痛苦，也来不及产生警觉逃生行为，因此氮气的窒息风险反而更应值得警惕。
值得注意的是，在此过程中N2还会给出“呼吸停止”的指令！即区别于心跳等生命活动，人的大脑会按照人的意识来控制和调节呼吸。在人类中枢神经系统内产生和调节呼吸行为的神经细胞群，主要分布在大脑皮层、间脑、脑桥、延髓和脊髓等部位。延髓是呼吸基本中枢，脑桥是呼吸调整中枢，其中最原始、最重要的就是延髓，是维持人产生呼吸行为最为重要的神经中枢（图5）。
图5 控制呼吸的神经中枢系统
由于血液中的O2分压迅速下降，特别是红细胞会从脑组织等组织、器官中倒抽O2，将导致脑细胞缺血缺氧并进而失去功能。相应地，延髓会停止工作，不再控制呼吸肌肉，导致肺部停止呼吸。
对于针刺刀砍导致的锐器或机械打击，或烟熏火燎导致的灼伤等，人员在受伤害的过程中有痛苦不适的体验，出于本能就会挣扎躲避而进行逃生。而氮气的窒息伤害却具有“无痛”的特点，甚至可作为“安乐死”，使得“氮气”也获得了“沉默的杀手”这一名号，导致氮气窒息具有极强的隐蔽性、欺骗性，势必使得面临氮气窒息伤害的人员无法产生警觉意识并进一步做出规避逃生行为，相应提高了氮气窒息后果的风险。
而在吸入纯氮或高浓度N2的瞬间，人员就意识丧失，处于无法自救的昏迷状态。由于延髓停止工作以及相应的呼吸停止，就算是把人转移到有新鲜空气的环境，窒息人员也不能自主恢复呼吸。因此，本文通过针对氮气窒息风险“伤害来的快”、“过程无痛苦”的特点，以及“氮气窒息原理”的讨论，希望能够纠正人们习惯性的主观认识，切实加强对氧含量检测报警装置以及通排风联动等方面的安全措施，真正重视及规范对实验室氮气的安全使用与管理。