N₂的性質(zhì)非常穩(wěn)定且非常容易獲取，在科研院所的教學(xué)科研活動以及企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營過程中，N₂被廣泛應(yīng)用于吹掃、惰化、密封等領(lǐng)域，是最為常見、用量也最大的氣體種類之一。針對氮氣相關(guān)的事故非常多，因N₂窒息導(dǎo)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(xùn)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(dǎo)致上述現(xiàn)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并不深入，大多數(shù)的教育培訓(xùn)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(jiān)測報警裝置”等基本信息進(jìn)行重復(fù)再強(qiáng)調(diào)，但很少有人真正知曉N₂的窒息危害特點，導(dǎo)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(dá)到78.1%，是空氣中含量最多的氣體。相應(yīng)的，人們進(jìn)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(biāo)。但由于N₂濃度的異常升高，將導(dǎo)致空氣中的O₂濃度的相應(yīng)降低，從而導(dǎo)致“缺氧窒息”。當(dāng)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(xiàn)煩躁不安、極度興奮、亂跑、叫喊、神情恍惚、步態(tài)不穩(wěn)的癥狀，稱之為“氮酩酊”，會進(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(xiàn)“閃電死亡”。作者將結(jié)合國內(nèi)外的一些典型案例，對N₂的窒息危害特點進(jìn)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(guān)注并防范N₂的窒息風(fēng)險。

在副主任醫(yī)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(guān)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(qiáng)調(diào)：“氮氣‘無毒’并不是‘無害’。過量的氮氣會剝奪人類賴以生存的氧氣，導(dǎo)致窒息，甚至在幾秒內(nèi)就可以導(dǎo)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(dǎo)致窒息。如在案例3中，—名工人在俯身向人孔內(nèi)進(jìn)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(yīng)可注意到，區(qū)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(nèi)，雖經(jīng)搶救依然死亡，呈現(xiàn)出“傷害來的快”的特點！因此，區(qū)別于人們主觀印象中的“窒息”掙扎逃生過程，對于呼吸到高濃度氮氣之后的人員瞬間就會昏迷甚至死亡，因此將導(dǎo)致氮氣窒息人員來不及反應(yīng)，沒有時間或機(jī)會進(jìn)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(yī)生菲利普 · 尼奇克（Philip Nitschke）和荷蘭設(shè)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。 

另據(jù)報道^[4]，2018年美國阿拉巴馬州眾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(zhí)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?nèi)胨@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(jù)美國化學(xué)安全與危害調(diào)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后，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(jīng)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里離開了這個世界^[5]，成為全世界第一個被該方法處決的人（圖2）。

圖2   Kenneth Smith 成為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?fù)u晃和扭動”。Smith的精神顧問杰夫·胡德牧師（Rev. Jeff Hood）在新聞發(fā)布會上稱，在執(zhí)行前一天，Smith非常擔(dān)心執(zhí)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(jīng)受了數(shù)小時的痛苦折磨并且留下了深刻陰影，因此在接受N₂窒息死刑的過程中竭力掙扎抗拒，此外在執(zhí)行過程中還很容易出現(xiàn)N₂面罩貼合密封不嚴(yán)等情況，從而導(dǎo)致Smith的N₂窒息死刑過程出現(xiàn)了區(qū)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，使得大眾非常容易對“窒息”產(chǎn)生自然而然地觀點，即“窒息”存在著難受痛苦，且竭力掙扎反抗試圖規(guī)避的過程。對上述主觀性的認(rèn)識誤區(qū)，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(dǎo)致實驗室在重視與應(yīng)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里的各級分支，最終到達(dá)支氣管最細(xì)的分支末端，即肺泡。對于成人而言，這些由單層上皮細(xì)胞構(gòu)成的半球狀囊泡，總數(shù)可達(dá)3～4億個肺泡，總面積近100m²。肺泡外面包繞著豐富的毛細(xì)血管。通過毛細(xì)血管壁和肺泡壁之間的傳遞，實現(xiàn)氧氣（O₂）和二氧化碳（CO₂）的交換。而O₂和CO₂在毛細(xì)血管壁和肺泡壁之間的傳遞交換，與其分壓有著密切的關(guān)系。眾所周知，混合氣體中氣體的擴(kuò)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穿過肺泡膜的方向取決于肺泡膜兩側(cè)的O₂濃度（也即分壓），在肺泡內(nèi)的O₂濃度大于一定值時，O₂才會穿過肺泡壁進(jìn)入血液，同時CO₂穿過肺泡壁進(jìn)入肺泡，完成O₂和CO₂的交換（圖3）。

正常情況下，在吸氣時空氣中的O₂透過肺泡壁和毛細(xì)血管壁進(jìn)入血液，紅細(xì)胞在肺內(nèi)獲得O₂并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(xì)血管壁和肺泡壁進(jìn)入肺泡，然后隨著呼氣過程排出體外（圖4A）。

圖3   血液循環(huán)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，體內(nèi)的CO₂基本不受影響，仍舊可以正常地從肺部排出，即體內(nèi)的CO₂濃度仍處于正常狀態(tài)，所以并不會產(chǎn)生窒息的不適感。這就導(dǎo)致了N₂窒息“過程無痛苦”。

圖4   正常呼吸(A)與發(fā)生反滲透(B)情況下，

毛細(xì)血管與肺泡之間不同的的氣體交換狀態(tài)

此時，人體動脈內(nèi)的血液在5-7秒內(nèi)就會降到過低水平，緊接著將在10-12秒甚至更短時間內(nèi)使人體產(chǎn)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，也來不及產(chǎn)生警覺逃生行為，因此氮氣的窒息風(fēng)險反而更應(yīng)值得警惕。

圖5  控制呼吸的神經(jīng)中樞系統(tǒng)

由于血液中的O₂分壓迅速下降，特別是紅細(xì)胞會從腦組織等組織、器官中倒抽O₂，將導(dǎo)致腦細(xì)胞缺血缺氧并進(jìn)而失去功能。相應(yīng)地，延髓會停止工作，不再控制呼吸肌肉，導(dǎo)致肺部停止呼吸。

對于針刺刀砍導(dǎo)致的銳器或機(jī)械打擊，或煙熏火燎導(dǎo)致的灼傷等，人員在受傷害的過程中有痛苦不適的體驗，出于本能就會掙扎躲避而進(jìn)行逃生。而氮氣的窒息傷害卻具有“無痛”的特點，甚至可作為“安樂死”，使得“氮氣”也獲得了“沉默的殺手”這一名號，導(dǎo)致氮氣窒息具有極強(qiáng)的隱蔽性、欺騙性，勢必使得面臨氮氣窒息傷害的人員無法產(chǎn)生警覺意識并進(jìn)一步做出規(guī)避逃生行為，相應(yīng)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，處于無法自救的昏迷狀態(tài)。由于延髓停止工作以及相應(yīng)的呼吸停止，就算是把人轉(zhuǎn)移到有新鮮空氣的環(huán)境，窒息人員也不能自主恢復(fù)呼吸。因此，本文通過針對氮氣窒息風(fēng)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(xí)慣性的主觀認(rèn)識，切實加強(qiáng)對氧含量檢測報警裝置以及通排風(fēng)聯(lián)動等方面的安全措施，真正重視及規(guī)范對實驗室氮氣的安全使用與管理。