酒精、毒品和疾病:呼吸测试的化学反应

直到最近，我们大多数人都很少再考虑呼吸的问题。它对生命和生存至关重要，我们认为这是理所当然的，就像呼吸一样自然。然而，自新冠肺炎大流行席卷全球以来，我们都更加注意自己的呼吸，尤其是与我们密切接触的人的呼吸。但是，从我们呼出的空气的成分和化学成分中，我们可以了解到更多的东西。

闻一个人的呼吸是已知的最早的诊断测试之一，甚至可以追溯到罗马时代。一个人呼吸中丙酮的甜味是患有糖尿病的强烈迹象。当然，从那时起，呼气分析技术已经取得了巨大的进步，但人们最熟悉的技术是一项法医技术:路边酒精呼气测试。

许多人会偶尔看到司机被要求对着一个手持装置吹气以测试他们的清醒程度。正在开始开发针对药物影响下驾驶的类似测试，目前已将类似技术用于诊断包括Covid-19在内的肺部疾病。希望在大流行结束后，用于诊断这种病毒感染的技术将在呼吸医学和其他领域找到其他应用。

路边的革命

在拥挤的酒馆和酒吧呆过的人都能明显地感受到酒徒呼出的酒精。血液样本中的酒精浓度与呼气中的酒精浓度之间有很强的直接相关性，这使得呼气分析可以作为血液样本实验室分析的替代品或代理。此外，检测和测量酒精(简单的乙醇分子C₂H₅OH)在呼吸中，因为它是挥发性的:也就是说，它很容易在体温下蒸发，并被释放出来，很容易在呼气中测量。

今天世界各地警察部队使用的设备都是基于电化学氧化

在19世纪，人们对酒精饮料对行为的影响感到好奇，想知道乙醇是否应该被视为一种食物、药物或毒药。这与分析化学和应用这些技术分析生物标本的快速发展相吻合。一个人摄入的一小部分酒精可以在血液、尿液和呼气样本中测量，这一发现是后来发展醉酒测试的先决条件。

第一个用于分析呼吸的实用仪器被命名为“呼气分析器”——这是20世纪50年代中期生产的第一个仪器的名字，但现在这个词用于任何此类设备。瑞典Linköping大学的法医毒理学家韦恩·琼斯说:“最早的呼气分析仪器非常笨重，携带起来很不方便。”“但即使在那时，就像我们今天使用的手持电子设备一样，这些仪器也经过校准，将读数转换为等效的血液酒精浓度。”“如今，大多数国家都制定了法定的驾驶酒精浓度限制，以测量血液、尿液或呼吸中的等效浓度。”例如，在英格兰和威尔士，“超标”意味着100毫升血液中酒精含量不低于80毫克，100毫升尿液中酒精含量不低于107毫克，100毫升呼吸中酒精含量不低于35微克。

多年来，警方用于呼气酒精分析的仪器采用了三种基本分析技术——光度法、光谱学和燃料电池技术——这些技术在准确性、精密度、特异性和易用性方面各不相同。在最初的呼吸分析仪中，呼气是通过重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)和硫酸装在玻璃瓶里。重铬酸钾晶体氧化存在的任何乙醇，并且可以测量氧化剂从橙黄色到蓝绿色的相关颜色变化，并用于计算原始呼吸样本中的酒精浓度。更精确的定量分析方法，特别是红外光谱，在20世纪70年代和80年代出现，而目前使用的手持路边筛选测试的主要方法是电化学氧化。乙醇作为燃料，当被氧化时，会产生可测量的电信号。琼斯说:“当今世界各地警察使用的小型手持电子设备都是基于电化学氧化的。”

然而，这些小设备不够准确或精确，无法在法庭上用作证据。如果路边呼吸测试呈阳性，嫌疑人将被带到最近的警察局进行更复杂的呼吸测试——通常使用红外光谱——在受控的环境条件下进行。如果起诉成功，这是必要的，但这并不理想:血液中的酒精浓度随着乙醇在肝脏中的代谢而下降，因此，根据路边测试，一个刚刚超过法定上限的司机很可能在第二次证据测试时低于限制。当然，这是可以被允许的，但很难解释乙醇在体内的代谢率，每小时每100毫升血液可能变化10到25毫克。在偏远地区，这可能是一个特别的问题，因为最近的警察局可能在许多英里之外。

提高准确性

因此，需要新的测试方法，既要紧凑到可以在路边使用，又要准确到可以在法庭上使用。交通安全议会咨询委员会是一个与全党派议会运输安全小组合作并为其提供秘书处的慈善机构，它正在为有兴趣开发符合高标准的可靠路边呼吸测试技术的公司举办一场竞赛。Pacts的政策和研究主管韦伯斯特(Evan Webster)说，我们目前使用的路边测试没有出错，但我们仍然需要提高准确性、精密度和可靠性，这种需求引发了竞争。

总部位于英国梅登黑德(Maidenhead)的AlcoSense董事总经理亨特•阿博特(Hunter Abbott)就是这项竞赛的目标客户之一。2005年，在一次死里逃生之后，他成立了这家设计和制造商用酒精测定器的公司。“在另一个朋友的婚礼上，我和一个朋友配酒;第二天中午我们一起开车回家，他被拦了下来，发现他的酒精含量超标，这导致他被吊销了驾照，后来又被解雇了。”现在，AlcoSense的产品主要被运输公司和需要避免这种无意识的“事后效应”的个人使用。它们相对便宜且易于使用，低端是20世纪60年代重铬酸钾测试的改进版本，高端是燃料电池。他们的高端设备接近证据使用所需的准确性和精确度。

AlcoSense为欧洲市场生产酒精分析器，因此必须能够调整它们以测试适用于那里的不同和更严格的限制。欧洲大陆的大多数国家使用的血液酒精上限为每100毫升50毫克，波兰和一些斯堪的纳维亚国家选择了更严格的每100毫升20毫克。苏格兰在2014年采用了每100毫升50毫克的欧洲标准。正如阿博特所解释的那样，这种差异是明显的。“在苏格兰，你发生致命车祸的可能性是清醒时的五倍;在英语限制下，你的可能性是13倍，即使只有10毫克/毫升，你仍然有37%的可能性，”他解释道。“大多数英国司机都不会想过酒后驾驶，但令人惊讶的是，在前一天晚上的第二天早上，残留的酒精很容易留在你的体内。”这条风险曲线就是为什么司机知道第二天什么时候没有喝酒是如此重要。”

但即使是最少量的酒精也会影响你的驾驶能力。理论上，设定的最佳上限为零，但这在技术上存在问题，因为疾病、药物治疗，甚至在某些情况下正常的新陈代谢都可能导致假阳性。糖尿病酮症酸中毒就是一个重要的例子。依赖胰岛素的糖尿病患者，如果他们的胰岛素水平下降太多，他们的身体可能会燃烧脂肪而不是糖来释放挥发性酮，如果限制设置得太低，这可能会导致一些酒精分析器的假阳性读数(尽管这对现代执法工具来说不是一个问题)。雅培说:“最安全、最切实可行的限度可能是每100毫升20毫克。”韦伯斯特也同意这一点。

检查药物

随着滥用毒品变得越来越普遍，在毒品影响下驾驶的犯罪也越来越普遍。如今，如果一名警察观察到有人开车不规律，但在他的呼吸中没有发现酒精，他必须判断这个假定的违法者是生病、疲劳或痛苦(或者可能只是一个糟糕的司机)，还是受到了其他药物的影响。目前正在开发针对药物的呼气测试，但这是一项比酒精测试复杂得多的分析练习。很少有药物像酒精那样易挥发，而且有许多不同的化合物需要测试。乙醇测试呈阴性足以证明司机没有醉酒，但药物测试呈阴性可能意味着服用的药物不在测试的药物之列。几乎所有的药物，包括会严重影响病人驾驶能力的处方药和滥用药物，其化学成分都比乙醇复杂得多。

在呼吸测试中作弊要难得多

测试司机是否吸毒仍然是一项复杂的分析工作，涉及到医院临床实验室的血液或尿液分析，但这种情况可能不会持续太久。瑞典斯德哥尔摩卡罗林斯卡学院(Karolinska Institute)毒理学家奥洛夫·贝克(Olof Beck)说:“10多年前，我们面临着开发一种非侵入性呼气测试药物的挑战，这种药物可以在路边使用。”“许多人认为这将是极其困难的，但我们最终成功了。“当这种设备最终推出时，路边测试将不是它唯一的用途。”对囚犯的药物测试通常涉及尿样，但囚犯可以找到作弊的方法。贝克补充说:“在呼吸测试中作弊要难得多，因为这些测试很容易被发现。”

非挥发性化合物以气溶胶颗粒的形式呼出:正常呼吸过程中形成的微小液滴。如果受试者最近服用了非挥发性药物，则可以在由这些气溶胶颗粒浓缩的样品中检测到该物质。贝克和他的同事正在开发一种设备，如果受试者正常呼吸几分钟，就可以收集有用的样本。该样品可以被带到法医实验室，并使用串联液相色谱质谱法(LC-MS)检测各种药物化合物，这种技术足够灵敏和可靠，其读数可用于法庭。检测的化合物可以包括所有主要滥用药物、一些较新的精神活性物质和可能被滥用的治疗药物，包括阿片类止痛药。

目前还没有一种LC-MS设备设计得足够快速、简单和便携，可以在路边使用，甚至可以用于筛查，但想象有一天这样的设备将被使用也不是不可能的。将样本采集从警察局转移到路边会有很多好处。例如，大麻素代谢迅速，因此将大麻疑似使用者及时送往警察局以获得检测呈阳性的样本是一项挑战。

法医毒理学需要解决的另一个问题是将酒精和药物结合使用的趋势日益增长。用户甚至可能认为半品脱和一根大麻烟就可以了，因为这两种单独使用都相对无害。然而，这种组合不仅仅是相加的，即使当数量足够小，两个测试单独出来都是负的。贝克说:“在酒精和毒品的影响下，司机发生了许多致命事故。”

一个有希望的诊断

而且，呼气分析在诊断方面的应用可能比在法医方面要多。呼气技术是一家位于英国剑桥的小型初创公司，专门测试呼气冷凝物(EBC)。它的董事之一Stig Brejl解释说，它有一段有趣的历史。“赛马经常患有类似哮喘的疾病，这会影响它们的状态，尽早诊断出这种疾病很重要，可以让受影响的马退出比赛。”与英国纽马克特动物健康信托基金会的大卫·马林合作，我们发现过氧化氢(H₂O₂)作为这种疾病的炎症生物标志物，并开发了一种无需兽医培训就能使用的诊断设备。”

Brejl和他的同事们了解到人类与马有相似的呼吸生理机能，他们研究了将类似的测试用于临床诊断的可能性。这项研究的结果是一种用于收集呼吸凝结物和测量过氧化氢浓度的手持设备——Inflammacheck。在人类中，这是由慢性阻塞性肺病(COPD)和严重哮喘患者中发现的肺部炎症引起的氧化应激的生物标志物。有趣的是，在轻度哮喘患者中，主要的炎症生物标志物是另一种不同的标志物——呼出一氧化氮分数，加上严重疾病患者发现难以使用的肺活量(峰值流量)测试，通常被用于诊断。在使用Inflammacheck时，患者在设备中正常呼吸一两分钟，产生约20 μ l的冷凝液，流入连接在带有基于辣根过氧化物酶涂层的传感器上的毛细管腔。当传感器暴露在样品中，酶作用过程发生，在传感器上产生微小但可检测的信号;信号强度表示过氧化氢的浓度。Brejl解释说:“这种检测方法很快，而且还有两个优点:它足够精确，可以用于少量的样品，并且可以嵌入到手持设备中。”

Inflammacheck于2019年9月首次上市，仅仅6个月后，呼吸药物(以及其他许多药物)就因Covid-19大流行而被颠覆，大多数COPD诊所被迫上线或关闭。然而，Brejl和他的团队迅速转向开发一种针对Sars-Cov-2感染的诊断测试。他解释说:“炎症标志物不足以诊断特定的病毒感染，所以我们必须使用不同类型的测试。”

正如我们许多人付出了代价才知道的那样，活性病毒颗粒通过感染者的呼吸携带。如果这个人对着呼气科技公司的新型CoronaCheck设备呼吸，冷凝水就会流到病毒颗粒结合的传感器上。然后，Sars-Cov-2特异性生物传感器可以检测到这些，仅在2-5分钟内产生电化学读数，比批准的横向流动测试更快。这种非侵入性设备目前正在朴茨茅斯医院NHS信托基金进行临床试验。Brejl解释说:“该试剂盒包括一个多用途阅读器和一套用于样本收集的一次性消耗品，所以它是完全安全的。”“我们正在研究如何将一次性电视机中的塑料用量从85克减少到6克左右。”“此外，如果该测试被批准，它应该很容易用于检测其他呼吸道病毒。”

疫苗已经为我们提供了一种摆脱这场大流行的方法。一旦过去，新的“繁荣的20年代”是否会释放出又一波鲁莽的司机?或者，未来是否会出现更严重、更危险的流行病?无论未来如何，法医和诊断性呼吸测试无疑将帮助我们保持安全和健康。

克莱尔·桑瑟姆是一位生活在英国剑桥的科学作家

2021年4月16日更新，以澄清不同国家的法定血液酒精含量。

更新于2021年5月11日，澄清了每100毫升20毫克的安全水平以及对呼吸丙酮的担忧