N2的性質非常穩定且非常容易獲取，在科研院所的教學科研活動以及企業的生産經營過程中，N2被廣泛應用于吹掃、惰化、密封等領域，是最爲常見、用量也最大的氣體種類之一。針對氮氣相關的事故非常多，因N2窒息導致的傷亡也是所有氣體中最多的。盡管也有非常多的文章或教育培訓對N2窒息事故進行介紹，但人們對N2的窒息傷害的重視與防範管理依舊變化不大。
導致上述現象的重要原因之一，就是一線師生甚至很多安全檢查或管理人員，對氮氣窒息傷害的了解並不深入，大多數的教育培訓或文章交流基本停留于對氮氣窒息事故的通報介紹，對衆所周知的“窒息性氣體”屬性以及“安裝氧含量監測報警裝置”等基本信息進行重複再強調，但很少有人真正知曉N2的窒息危害特點，導致大衆對N2窒息風險的警惕與防範依然重視不夠。
作爲大氣環境中的最主要氣體，N2含量達到78.1%，是空氣中含量最多的氣體。相應的，人們進行呼吸時，其實接觸最多的還是N2，也使得人體對N2非常熟悉且具有良好的親和性。而且N2無色無味，這就使得人們無法僅憑感官判斷空氣中N2濃度是否超標。但由于N2濃度的異常升高，將導致空氣中的O2濃度的相應降低，從而導致“缺氧窒息”。當吸入濃度不太高的N2時，由于缺氧造成的影響，最初會感到胸悶、氣短、疲軟無力，繼而會出現煩躁不安、極度興奮、亂跑、叫喊、神情恍惚、步態不穩的症狀，稱之爲“氮酩酊”，會進入昏睡或昏迷狀態。但如果吸入純氮或高濃度的N2（大于90%），則非常容易出現“閃電死亡”。作者將結合國內外的一些典型案例，對N2的窒息危害特點進行解讀，以期通過提供更多更深入的信息，警醒實驗室及安全管理人員關注並防範N2的窒息風險。
在副主任醫師邊敏等撰寫的文章中介紹了一些氮氣窒息的事故案例[2]，其中一則案例非常值得關注。即一名工人在乙烯球罐頂部，僅僅是通過罐頂人孔俯身查看時吸入了一口高濃度氮氣就墜入球罐且搶救無效死亡。在該文中特別強調：“氮氣‘無毒’並不是‘無害’。過量的氮氣會剝奪人類賴以生存的氧氣，導致窒息，甚至在幾秒內就可以導致人員死亡。哪怕僅僅是將頭探入富含氮氣的人孔裏，都有可能導致窒息。如在案例3中，—名工人在俯身向人孔內進行查看時，吸入高濃度氮氣瞬間昏迷墜入罐中”。
在上述案例中應可注意到，區別于實驗室相對密閉的空間，乙烯球罐頂部是開放場所，空氣流通不受任何阻礙，而工人僅僅是在罐頂人孔處吸入一口高濃度氮氣就昏迷墜入罐內，雖經搶救依然死亡，呈現出“傷害來的快”的特點！因此，區別于人們主觀印象中的“窒息”掙紮逃生過程，對于呼吸到高濃度氮氣之後的人員瞬間就會昏迷甚至死亡，因此將導致氮氣窒息人員來不及反應，沒有時間或機會進行逃生。
值得注意的是，N2窒息死亡還是“無痛苦”的過程。澳大利亞醫生菲利普 · 尼奇克（Philip Nitschke）和荷蘭設計師亞曆山大·班尼克（Alexander Bannink）聯合，基于 3D 打印技術制造了頗具科幻感的 “Sarco”安樂死膠囊倉（圖1）[3]。一些尋求安樂死的人員躺在充滿氮氣的膠囊倉中，沒有痛苦的離開人世。
圖1 充入氮氣進行安樂死的“Sarco”膠囊倉[3]
另據報道[4]，2018年美國阿拉巴馬州衆議院就通過了一項法律，允許在死刑中使用N2（前提是沒有條件執行注射死刑）。共和黨人吉姆·希爾在辯論中表示：“氮氣會讓他們入睡，這種方法人性化、快速、無痛”。而在此之前，俄克拉荷馬州和密西西比州也已通過了類似法案。據美國化學安全與危害調查委員會（CSB）的說法，對人類來說，呼吸純N2或其它類似的惰性氣體僅一兩次後，人就會失去知覺，感受不到任何痛苦了，是非常適合死刑的手段。經過討論，美國最高法院以6:3通過了氮氣死刑，美國時間2024年1月25日星期四晚8點25分，58歲的Kenneth Smith在阿拉巴馬州的懲教所裏離開了這個世界[5]，成爲全世界第一個被該方法處決的人（圖2）。
圖2 Kenneth Smith 成爲第一個接受氮氣窒息死刑的人 [5]
不過令人意外的是，Smith在接受N2窒息死刑的過程中，“在輪床上劇烈地搖晃和扭動”。Smith的精神顧問傑夫·胡德牧師（Rev. Jeff Hood）在新聞發布會上稱，在執行前一天，Smith非常擔心執行會出錯，“他非常害怕這件事，恐懼的心情一直折磨著他”。加之2022年靜脈注射死刑的失敗過程讓Smith經受了數小時的痛苦折磨並且留下了深刻陰影，因此在接受N2窒息死刑的過程中竭力掙紮抗拒，此外在執行過程中還很容易出現N2面罩貼合密封不嚴等情況，從而導致Smith的N2窒息死刑過程出現了區別于其他“安樂死”案例的情況。
影視劇中大量的掐勒脖頸或溺水等“窒息”傷害場景，使得大衆非常容易對“窒息”産生自然而然地觀點，即“窒息”存在著難受痛苦，且竭力掙紮反抗試圖規避的過程。對上述主觀性的認識誤區，其根本原因可歸因于對“氮氣窒息原理”的不了解，進而也導致實驗室在重視與應對N2的安全防控方面存在不足。通過對“氮氣窒息原理”的解析，將有助于理解N2窒息“傷害來的快”、“過程無痛苦”的這兩個特點。
人類在呼吸時，吸入的氣體順著支氣管在肺葉裏的各級分支，最終到達支氣管最細的分支末端，即肺泡。對于成人而言，這些由單層上皮細胞構成的半球狀囊泡，總數可達3～4億個肺泡，總面積近100m2。肺泡外面包繞著豐富的毛細血管。通過毛細血管壁和肺泡壁之間的傳遞，實現氧氣（O2）和二氧化碳（CO2）的交換。而O2和CO2在毛細血管壁和肺泡壁之間的傳遞交換，與其分壓有著密切的關系。衆所周知，混合氣體中氣體的擴散方向由其分壓決定，而氣體的分壓又與濃度密切相關，即濃度越高則分壓也越大。人體肺泡的肺泡壁爲雙向膜，O2穿過肺泡膜的方向取決于肺泡膜兩側的O2濃度（也即分壓），在肺泡內的O2濃度大于一定值時，O2才會穿過肺泡壁進入血液，同時CO2穿過肺泡壁進入肺泡，完成O2和CO2的交換（圖3）。
正常情況下，在吸氣時空氣中的O2透過肺泡壁和毛細血管壁進入血液，紅細胞在肺內獲得O2並將之輸運到全身各處組織、器官；同時，血液中的CO2也透過這毛細血管壁和肺泡壁進入肺泡，然後隨著呼氣過程排出體外（圖4A）。
圖3 血液循環與氣體交換
盡管每時每刻人類都在呼吸著O2，但人體對O2濃度的變化並不敏感，而對CO2濃度的變化卻很敏感。吸入純N2或高濃度N2時，體內的CO2基本不受影響，仍舊可以正常地從肺部排出，即體內的CO2濃度仍處于正常狀態，所以並不會産生窒息的不適感。這就導致了N2窒息“過程無痛苦”。
在吸入異常濃度的N2，即O2含量≤19.5%時，特別是人體吸入不含氧氣或氧氣濃度極低的氣體，肺泡內的O2濃度迅速降低，雖然人員沒有窒息的不適感，但由于吸入O2的分壓下降，血管內的O2和CO2會同時進入肺泡，即出現所謂的“反滲透（Reverse Osmosis）現象”。即紅細胞會從身體的組織器官中抽取O2（特別是從腦組織）去支持沒有O2的肺部，即“全身的O2會被血液循環系統倒抽到肺部”（圖4B）。
圖4 正常呼吸(A)與發生反滲透(B)情況下， 毛細血管與肺泡之間不同的的氣體交換狀態
此時，人體動脈內的血液在5-7秒內就會降到過低水平，緊接著將在10-12秒甚至更短時間內使人體産生暈厥，可謂是“傷害來的快”。也正由于迅速暈厥，窒息人員還來不及感到難受痛苦，也來不及産生警覺逃生行爲，因此氮氣的窒息風險反而更應值得警惕。
值得注意的是，在此過程中N2還會給出“呼吸停止”的指令！即區別于心跳等生命活動，人的大腦會按照人的意識來控制和調節呼吸。在人類中樞神經系統內産生和調節呼吸行爲的神經細胞群，主要分布在大腦皮層、間腦、腦橋、延髓和脊髓等部位。延髓是呼吸基本中樞，腦橋是呼吸調整中樞，其中最原始、最重要的就是延髓，是維持人産生呼吸行爲最爲重要的神經中樞（圖5）。
圖5 控制呼吸的神經中樞系統
由于血液中的O2分壓迅速下降，特別是紅細胞會從腦組織等組織、器官中倒抽O2，將導致腦細胞缺血缺氧並進而失去功能。相應地，延髓會停止工作，不再控制呼吸肌肉，導致肺部停止呼吸。
對于針刺刀砍導致的銳器或機械打擊，或煙熏火燎導致的灼傷等，人員在受傷害的過程中有痛苦不適的體驗，出于本能就會掙紮躲避而進行逃生。而氮氣的窒息傷害卻具有“無痛”的特點，甚至可作爲“安樂死”，使得“氮氣”也獲得了“沉默的殺手”這一名號，導致氮氣窒息具有極強的隱蔽性、欺騙性，勢必使得面臨氮氣窒息傷害的人員無法産生警覺意識並進一步做出規避逃生行爲，相應提高了氮氣窒息後果的風險。
而在吸入純氮或高濃度N2的瞬間，人員就意識喪失，處于無法自救的昏迷狀態。由于延髓停止工作以及相應的呼吸停止，就算是把人轉移到有新鮮空氣的環境，窒息人員也不能自主恢複呼吸。因此，本文通過針對氮氣窒息風險“傷害來的快”、“過程無痛苦”的特點，以及“氮氣窒息原理”的討論，希望能夠糾正人們習慣性的主觀認識，切實加強對氧含量檢測報警裝置以及通排風聯動等方面的安全措施，真正重視及規範對實驗室氮氣的安全使用與管理。
參考文獻
1Ménard, A.D., Trant, J.F. A review and critique of academic lab safety research. Nature Chemistry. 2020. 12, 17–25.
2邊敏,王 銳. 氮氣窒息事故常見原因分析與預防措施. 安全健康和環境， 2018，18(11)：14-15
3https://k.sina.cn/article_6004281123_v165e20f23019014u8i.html
4http://fm.m4.cn/2023-08/1374499.shtml
5https://baijiahao.baidu.com/s?id=1789244679114078566&wfr=spider&for=pc
轉自未來實驗室學苑。
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