Come funziona l’alcol test?

INTRODUZIONE

L’alcol test è una tecnica d’analisi in grado di rivelare la concentrazione di alcol etilico presente nell’aria espirata dal soggetto sotto esame (tipicamente il conducente di una vettura). Da tale concentrazione, poi, lo stesso è in grado di determinare la quantità di alcol che circola nel sangue. Intanto, è bene chiarire come sia fatta questa sostanza da un punto di vista molecolare:

L’alcol etilico, anche detto etanolo, è un composto organico formato da due atomi di carbonio, C, circondati da atomi di idrogeno, H, più il gruppo ossidrile, -OH, legato a uno dei due atomi di carbonio. Quando si beve una sostanza alcolica, l’etanolo arriva prima nel sangue attraverso il sistema di digestione dell’organismo e in seguito riesce a superare la barriera encefalica, oltre la quale si trova il cervello. L’alcol etilico, nel cervello, causa uno stato di confusione tanto più grave quanto maggiore è il volume di alcol ingerito e, pertanto, tutte le abilità risultano notevolmente ridotte, tra cui la capacità di guidare. Per questa ragione si effettuano test sui conducenti sia per prevenzione, sia dopo eventualmente un sinistro stradale in cui le forze dell’ordine ritengono opportuno effettuarne uno.

Cos’è il grado alcolico

Anzitutto, si definisce grado alcolico il rapporto tra la quantità di alcol etilico espressa in millilitri (mL) disciolta in 100 mL di liquido. Essendo un rapporto tra due volumi, molto spesso sulle etichette delle bottiglie il numero è seguito dal simbolo %Vol. Si ricorda, inoltre, che l’attuale limite di alcol presente nel sangue pari a 0.5 g/L. Giusto per dare un’idea orientativa di quanto sia facile superare questa soglia (senza considerare fattori determinanti come sesso, età, statura, ciò che si è mangiato ecc.), una birra ha un grado alcolico pari a 4%Vol, questa conterrà 4 mL di alcol etilico ogni 100 mL. Anche bevendo un solo bicchiere da 200 mL, si introducono nel corpo 8 mL di etanolo. Avendo questo una densità pari a 0.789 g/mL, il volume ingerito corrisponde a 6.3 g circa. Considerando che in un adulto ci sono in media 5 L di sangue, la concentrazione finale di alcol sarà di 1.26 g/L, molto sopra il valore limite di 0.5 g/L.

Principio fisico alla base dell’alcol test

Per determinare, dunque, quanto alcol etilico è presente nel corpo, si possono effettuare diversi tipi di test tra cui quelli effettuati su sangue, saliva o direttamente sul respiro. In questo articolo ci si concentrerà principalmente su quest’ultima categoria. Gli etilometri a respiro sfruttano il fenomeno fisico per cui l’alcol disciolto nel sangue passa allo stato gassoso attraverso gli alveoli polmonari. Questo passaggio è precisamente regolato da un particolare meccanismo, spiegato con la legge di Henry, per cui quando una soluzione contenente un composto volatile è in equilibrio con l’aria sovrastante la soluzione stessa, il composto volatile evapora di una quantità proporzionale alla sua concentrazione iniziale. Nel presente caso, dunque, la soluzione acquosa è il sangue e il composto volatile l’alcol discioltovi. Nei polmoni, l’aria e il sangue entrano in equilibrio e, conseguentemente, parte di alcol passa nell’aria attraverso gli alveoli polmonari. In tal modo, quando si espira c’è una componente di alcol nel fiato che sarà tanto maggiore quanto maggiore è quella presente nel sangue. In particolare, la conversione è di 1:2100, cioè la concentrazione di alcol nell’aria va moltiplicata per 2100 per ottenere quella nel sangue.

COME FUNZIONA L’ALCOL TEST: IL PALLONCINO

Il test del palloncino è una delle tecniche di analisi più semplici, ma anche meno accurate, per ottenere la concentrazione di alcol nel sangue partendo dal respiro esalato da una persona. Questo ha fatto sì che spesso, nel parlato comune, si dica “test del palloncino” per riferirsi all’alcol test in generale. Ma esattamente come funziona l’alcol test fatto con il palloncino? Per eseguirlo, intanto, servono un palloncino, appunto, e una fialetta contenente dei sali di bicromato di potassio, di un colore tra il giallo e il rossastro.

Per prima cosa, si deve soffiare nel palloncino che presenta una valvola; successivamente, si inserisce la fialetta in questa valvola e si schiaccia il palloncino in modo da farvi flussare aria. A questo punto, l’etanolo reagisce con i sali di bicromato secondo la seguente reazione chimica:

\(\)\[ 2K_2Cr_2O_7 + 3CH_3CH_2OH + 8H_2SO_4 \rightarrow \\ \rightarrow 2Cr_2(SO_4)_3 + 2K_2SO_4 + 3CH_3COOH + 11H_2O \]\(\)

Quindi, l’alcol si trasforma in acido etanoico (con il gruppo -COOH), mentre il sale di bicromato viene convertito in solfato di cromo Cr₂(SO₄)₃ che, a differenza dell’altro sale, presenta una colorazione verdastra. L’acido solforico H₂SO₄ serve solo a conferire il pH ottimale al quale questa reazione viene massimizzata. Dunque, dalla quantità di sale che cambia colore dal giallo-rosso al verde è possibile stimare la concentrazione di alcol nel respiro e, tramite la conversione di 1:2100, di quello nel sangue. Solitamente, le fialette presentano delle tacchette che agevolano questo compito, ossia ad ogni tacchetta corrisponde un certo grado di concentrazione nel sangue. La bassa accuratezza del metodo risiede proprio nel fatto che non si ottenga un valore ben definito ma è spannometrico.

COME FUNZIONA L’ALCOL TEST ELETTROCHIMICO

Di seguito verrà esposto invece come funziona l’alcol test basato sull’uso di un etilometro elettrochimico. Questo si basa su una cella a combustione, formata da due elettrodi di platino collegati elettricamente tra loro (in modo che possa passare corrente) immersi in una soluzione acida. Il motivo per cui sia acida verrà esplicato tra poco. Inoltre, tra i due elettrodi vi è un amperometro, uno strumento capace di misurare quanta corrente scorre tra i due elettrodi. Quando l’aria espirata dal soggetto (il conducente) giunge a uno dei due elettrodi (l’anodo), qui si innesca una reazione chimica tra le molecole di alcol etilico presenti nell’aria esalata e quelle di acqua (sempre derivanti dall’aria sotto forma di vapor acqueo):

\(\)\[ CH_3CH_2OH + H_2O \rightarrow CH_3COOH + 4H^+ + 4e^- \]\(\)

La reazione, così com’è scritta, è riferita a una singola molecola di alcol etilico che, reagendo, si trasforma in una molecola di acido acetico e produce 4 elettroni e 4 cationi di idrogeno H⁺. Gli elettroni e gli H⁺ seguono da qui due strade diverse, per poi ricongiungersi al secondo elettrodo, il catodo: i primi passano attraverso il circuito elettrico esterno, mentre gli H⁺ vengono trasportati dalla soluzione acida. Quest’ultima è acida, e non basica, perché se lo fosse gli H+ verrebbero assorbiti e non riuscirebbero ad arrivare al catodo! Qui, dunque, avviene una reazione tra elettroni, H⁺ e ossigeno (derivante ancora una volta dall’aria):

\(\)\[ O_2 + 4H^+ 4e^- \rightarrow 2H_2O \]\(\)

A questo punto, gli elettroni (che costituiscono la corrente) vengono convogliati nel collegamento elettrico che collega i due elettrodi di platino, passando per l’amperometro. Si può dedurre che maggiore è il numero di molecole di alcol, maggiore sarà il numero di elettroni prodotti e più alta la corrente che verrà letta dall’amperometro. Questa viene infine convertita in numero digitale attraverso l’elettronica, rendendolo fruibile all’operatore e, soprattutto, aumentando l’accuratezza del metodo.

Etilometri a semiconduttore

Questo tipo di etilometri si basa su un meccanismo molto simile alle celle a combustione. Sono costituiti da un sensore a base di ossido di metallo, tipicamente ossido di stagno, dotato di una certa resistenza elettrica. La resistenza fa capire quanto un flusso di elettroni abbia difficoltà a scorrere lungo il semiconduttore stesso. Quando arriva il respiro sul sensore, l’alcol contenuto in esso reagisce con il semiconduttore venendo ossidato e producendo, ancora una volta, elettroni, i quali iniziano a circolare all’interno del semiconduttore. L’ “aggiunta” di elettroni fa sì che la resistenza elettrica diminuisca di una certa quantità. È possibile, dunque, correlare l’abbassamento della resistenza elettrica alla concentrazione di alcol presente nel respiro e, quindi, nel sangue, potendola leggere su un display digitale.

NUOVE FRONTIERE

Allontanandosi dagli etilometri che analizzano il respiro, negli ultimi anni si sta studiando un nuovo dispositivo per determinare quanto alcol sia finito nel sangue dopo aver bevuto, per comunicare tempestivamente ai conducenti se abbiano superato o meno la soglia di 0.5 g/L. Un’idea innovativa e pratica su cui molti ricercatori stanno lavorando è un biosensore dotato di una placchetta flessibile capace di aderire alla pelle e una parte elettronica che, tramite l’analisi del sudore in cui sono contenute tracce di alcol, riesce a determinare il grado di etanolo nel sangue.

Per farlo, tramite la placchetta viene rilasciata una sostanza, la pilocarpina, che induce localmente la sudorazione della pelle. L’alcol, a contatto con il biosensore, reagisce con un particolare enzima, l’alcol ossidasi (AOX nella reazione chimica), trasformandosi in un aldeide e producendo acqua ossigenata:

\(\)\[ CH_3CH_2OH + O_2 + AOX \rightarrow H_2O_2 + CH_3CHO \]\(\)

Dopo, l’acqua ossigenata viene ossidata a uno degli elettrodi presente sempre nel biosensore, producendo correnteelettrica:

\(\)\[ H_2O_2 \rightarrow O_2 + 2H^+ + 2e^- \]\(\)

Dall’intensità di corrente elettrica è possibile determinare la concentrazione di alcol nel sudore e, in ultima analisi, nel sangue.