N₂的性質(zhì)非常穩定且非常容易獲取，在科研院所的教學(xué)科研活動(dòng)以及企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，N₂被廣泛應用于吹掃、惰化、密封等領(lǐng)域，是最為常見(jiàn)、用量也最大的氣體種類(lèi)之一。針對氮氣相關(guān)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(jìn)行介紹，但人們對N₂的窒息傷害的重視與防范管理依舊變化不大。

導致上述現象的重要原因之一，就是一線(xiàn)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并不深入，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，對眾所周知的“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(jìn)行重復再強調，但很少有人真正知曉N₂的窒息危害特點(diǎn)，導致大眾對N₂窒息風(fēng)險的警惕與防范依然重視不夠。

作為大氣環(huán)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(jìn)行呼吸時(shí)，其實(shí)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(wú)色無(wú)味，這就使得人們無(wú)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(shí)，由于缺氧造成的影響，最初會(huì )感到胸悶、氣短、疲軟無(wú)力，繼而會(huì )出現煩躁不安、極度興奮、亂跑、叫喊、神情恍惚、步態(tài)不穩的癥狀，稱(chēng)之為“氮酩酊”，會(huì )進(jìn)入昏睡或昏迷狀態(tài)。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(diǎn)進(jìn)行解讀，以期通過(guò)提供更多更深入的信息，警醒實(shí)驗室及安全管理人員關(guān)注并防范N₂的窒息風(fēng)險。

在副主任醫師邊敏等撰寫(xiě)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(guān)注。即一名工人在乙烯球罐頂部，僅僅是通過(guò)罐頂人孔俯身查看時(shí)吸入了一口高濃度氮氣就墜入球罐且搶救無(wú)效死亡。在該文中特別強調：“氮氣‘無(wú)毒’并不是‘無(wú)害’。過(guò)量的氮氣會(huì )剝奪人類(lèi)賴(lài)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里，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(jìn)行查看時(shí)，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(shí)驗室相對密閉的空間，乙烯球罐頂部是開(kāi)放場(chǎng)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(jīng)搶救依然死亡，呈現出“傷害來(lái)的快”的特點(diǎn)！因此，區別于人們主觀(guān)印象中的“窒息”掙扎逃生過(guò)程，對于呼吸到高濃度氮氣之后的人員瞬間就會(huì )昏迷甚至死亡，因此將導致氮氣窒息人員來(lái)不及反應，沒(méi)有時(shí)間或機會(huì )進(jìn)行逃生。

值得注意的是，N₂窒息死亡還是“無(wú)痛苦”的過(guò)程。澳大利亞醫生菲利普 · 尼奇克（Philip Nitschke）和荷蘭設計師亞歷山大·班尼克（Alexander Bannink）聯(lián)合，基于 3D 打印技術(shù)制造了頗具科幻感的 “Sarco”安樂(lè )死膠囊倉（圖1）^[3]。一些尋求安樂(lè )死的人員躺在充滿(mǎn)氮氣的膠囊倉中，沒(méi)有痛苦的離開(kāi)人世。 

另?yè)蟮?sup style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box; overflow-wrap: break-word !important; font-size: 12px;">[4]，2018年美國阿拉巴馬州眾議院就通過(guò)了一項法律，允許在死刑中使用N₂（前提是沒(méi)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(huì )讓他們入睡，這種方法人性化、快速、無(wú)痛”。而在此之前，俄克拉荷馬州和密西西比州也已通過(guò)了類(lèi)似法案。據美國化學(xué)安全與危害調查委員會(huì )（CSB）的說(shuō)法，對人類(lèi)來(lái)說(shuō)，呼吸純N₂或其它類(lèi)似的惰性氣體僅一兩次后，人就會(huì )失去知覺(jué)，感受不到任何痛苦了，是非常適合死刑的手段。經(jīng)過(guò)討論，美國最高法院以6:3通過(guò)了氮氣死刑，美國時(shí)間2024年1月25日星期四晚8點(diǎn)25分，58歲的Kenneth Smith在阿拉巴馬州的懲教所里離開(kāi)了這個(gè)世界^[5]，成為全世界第一個(gè)被該方法處決的人（圖2）。

圖2   Kenneth Smith 成為第一個(gè)接受氮氣窒息死刑的人 ^[5]

不過(guò)令人意外的是，Smith在接受N₂窒息死刑的過(guò)程中，“在輪床上劇烈地搖晃和扭動(dòng)”。Smith的精神顧問(wèn)杰夫·胡德牧師（Rev. Jeff Hood）在新聞發(fā)布會(huì )上稱(chēng)，在執行前一天，Smith非常擔心執行會(huì )出錯，“他非常害怕這件事，恐懼的心情一直折磨著(zhù)他”。加之2022年靜脈注射死刑的失敗過(guò)程讓Smith經(jīng)受了數小時(shí)的痛苦折磨并且留下了深刻陰影，因此在接受N₂窒息死刑的過(guò)程中竭力掙扎抗拒，此外在執行過(guò)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(guò)程出現了區別于其他“安樂(lè )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(chǎng)景，使得大眾非常容易對“窒息”產(chǎn)生自然而然地觀(guān)點(diǎn)，即“窒息”存在著(zhù)難受痛苦，且竭力掙扎反抗試圖規避的過(guò)程。對上述主觀(guān)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(jìn)而也導致實(shí)驗室在重視與應對N₂的安全防控方面存在不足。通過(guò)對“氮氣窒息原理”的解析，將有助于理解N₂窒息“傷害來(lái)的快”、“過(guò)程無(wú)痛苦”的這兩個(gè)特點(diǎn)。

人類(lèi)在呼吸時(shí)，吸入的氣體順著(zhù)支氣管在肺葉里的各級分支，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(gè)肺泡，總面積近100m²。肺泡外面包繞著(zhù)豐富的毛細血管。通過(guò)毛細血管壁和肺泡壁之間的傳遞，實(shí)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(zhù)密切的關(guān)系。眾所周知，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(guān)，即濃度越高則分壓也越大。人體肺泡的肺泡壁為雙向膜，O₂穿過(guò)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(shí)，O₂才會(huì )穿過(guò)肺泡壁進(jìn)入血液，同時(shí)CO₂穿過(guò)肺泡壁進(jìn)入肺泡，完成O₂和CO₂的交換（圖3）。

正常情況下，在吸氣時(shí)空氣中的O₂透過(guò)肺泡壁和毛細血管壁進(jìn)入血液，紅細胞在肺內獲得O₂并將之輸運到全身各處組織、器官；同時(shí)，血液中的CO₂也透過(guò)這毛細血管壁和肺泡壁進(jìn)入肺泡，然后隨著(zhù)呼氣過(guò)程排出體外（圖4A）。

圖3   血液循環(huán)與氣體交換

盡管每時(shí)每刻人類(lèi)都在呼吸著(zhù)O₂，但人體對O₂濃度的變化并不敏感，而對CO₂濃度的變化卻很敏感。吸入純N₂或高濃度N₂時(shí)，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(tài)，所以并不會(huì )產(chǎn)生窒息的不適感。這就導致了N₂窒息“過(guò)程無(wú)痛苦”。

圖4   正常呼吸(A)與發(fā)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(tài)

此時(shí)，人體動(dòng)脈內的血液在5-7秒內就會(huì )降到過(guò)低水平，緊接著(zhù)將在10-12秒甚至更短時(shí)間內使人體產(chǎn)生暈厥，可謂是“傷害來(lái)的快”。也正由于迅速暈厥，窒息人員還來(lái)不及感到難受痛苦，也來(lái)不及產(chǎn)生警覺(jué)逃生行為，因此氮氣的窒息風(fēng)險反而更應值得警惕。

圖5  控制呼吸的神經(jīng)中樞系統

由于血液中的O₂分壓迅速下降，特別是紅細胞會(huì )從腦組織等組織、器官中倒抽O₂，將導致腦細胞缺血缺氧并進(jìn)而失去功能。相應地，延髓會(huì )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(guò)程中有痛苦不適的體驗，出于本能就會(huì )掙扎躲避而進(jìn)行逃生。而氮氣的窒息傷害卻具有“無(wú)痛”的特點(diǎn)，甚至可作為“安樂(lè )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(wú)法產(chǎn)生警覺(jué)意識并進(jìn)一步做出規避逃生行為，相應提高了氮氣窒息后果的風(fēng)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(wú)法自救的昏迷狀態(tài)。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(huán)境，窒息人員也不能自主恢復呼吸。因此，本文通過(guò)針對氮氣窒息風(fēng)險“傷害來(lái)的快”、“過(guò)程無(wú)痛苦”的特點(diǎn)，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(guān)認識，切實(shí)加強對氧含量檢測報警裝置以及通排風(fēng)聯(lián)動(dòng)等方面的安全措施，真正重視及規范對實(shí)驗室氮氣的安全使用與管理。