음주 측정의 원리

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음주 측정의 원리

 

 

❶ 국립과학수사연구소에서 혈중 알코올 농도를 측정하는 Head space GC method를 이해하고 결과를 분석할 수 있다.

❷ 음주 측정의 원리를 이해하고 실험을 통해 용액 속의 알코올 농도를 측정할 수 있다.

➌ 음주 측정기를 사용하여 혈중 알코올 농도를 측정하고 음주량에 따른 혈중 알코올 농도를 알아본다.

 

❶ 기구 : 음주 측정기(모델 AL-2500, AL-5000)

❷ 재료 및 시약 : 실리카겔, 중크롬산칼륨, 진한 황산, 에틸알코올(또는 소주나 양주), 풍선, 아크릴 관(또는 유리관, 타이곤 튜브 등), 솜

활동 1. Head space GC method

1. 혈중 알코올 농도

① 혈중 알코올 농도의 정의 : 혈액 100mL 속에 몇 mg의 알코올이 포함되어 있는가를 % 단위로 나타낸다.

② 여러 과학자들의 실험 데이터로부터 나온 자료를 근거로 호흡 알코올 농도로부터 혈중 알코올 농도를 환산한다.

혈중 알코올농도(BAC) : 호흡 알코올 농도(BrAC) = 2100 : 1

③ 타액, 땀 등에서도 알코올 농도를 측정할 수 있으나 우리나라에서는 타액이나 땀에서는 측정하지 않는다.

 

2. Head space GC method

(1) 혈액 속에 들어있는 알코올만 선택적으로 선택하여 측정한다.

(2) 인체 내에서의 알코올의 변화는 알코올 → 아세트 알데이드 → 아세트산 → CO2 + H2O이다.

(3) GC column 충전제 : Cabowax 1500(0.2%)를 사용한다.

① 내부 표준물질을 넣는다.

② 혈액 속에 어떤 물질을 측정하느냐에 따라 사용하는 column의 충전제도 다르다.

(4) 알코올(휘발성 물질)을 증발시켜 GC에 넣는다.

① 혈액을 바이알 병(칼럼에 통과시킬 혈액을 담는 병)에 넣는다.

② 바이알 속에 혈액과 함께 기준이 되는 내부표준물질(IS)과 알코올의 산화를 방지하기 위해 포화식염수를 넣어준다.

③ 바이알 병에 혈액을 넣고 온도를 높혀 주면 혈액속의 휘발성 물질(알코올 포함)이 기화되면서 알코올 기체가 바이알 병에 차게 된다.

④ 기화된 알코올이 관을 통해 Cabowax가 충전된 column 속으로 들어간 후, 데이터 처리 과정을 통해 농도가 측정된다.

⑤ 혈중알코올 농도는 내부표준 물질(IS)의 알코올 함유량과의 비율에 의해 결정된다.

 

 

(5) 검량선을 그린다. [그림 5]와 같이 컴퓨터 프로그램에 의해 검량선이 작성되며 내부 표준물질과 비례관계에 의해 혈중 알코올 농도가 결정된다.

 

 

(6) 측정 결과<표 1>

데이터 처리하여 알코올 농도가 측정되며, 아래 제시된 측정 결과의 자료에 의하면 이 사람의 혈중 알코올 농도는 0.693-1[ETOH] 이므로 0.0693%가 되며, 도로 교통법에 의해 운전면허정지 3개월에 해당되는 벌칙을 받게 된다.

 

<표 1> 음주측정 결과 자료

 

활동 2. 음주 측정 실험

1. 알코올 농도 측정의 원리

적황색의 중크롬산칼륨을 황산에 녹인 다음 실리카 겔이나 규조토에 적셔서 말린 것을 유리관에 넣으면 숨 속에 들어있는 알코올을 농도를 알 수 있다. 날숨 속에 포함된 알코올이 중크롬산칼륨에 의해서 산화되면서 적황색의 중크롬산칼륨이 녹색의 황산 크로뮴이 된다. 따라서 유리관에 나타나는 녹색의 정도를 측정하는 분광장치를 붙이면 혈중 알코올 농도를 알아낼 수 있게 된다.

‣ 3CH3CH2OH + 2K2Cr2O7 + 8H2SO4 →ethanol 오랜지색

 

3CH3COOH + 2Cr2(SO4)3 + 2K2SO4 + 11H2O

acetic acid 녹 색

 

‣ 8H+ + 2Cr2O72- + 3C2H5OH → 2Cr3+ + 3CH3CHO + 7 H2O

acetealdehyde

 

위 반응에서 Cr2O72-은 노란색이며, Cr3+은 녹색이다. 산성 용액에서 알코올이 중크롬산칼륨에 의해 산화되어 아세트알데히드가 된다. 이 반응에서 크롬은 6+가에서 3+가로 환원되었다.

일반적으로 몇 가지 술의 알코올 농도를 살펴보면 위스키는 40%, 포도주는 12%, 그리고 맥주는 3%이다. 알코올 1방울은 위스키 2방울, 포도주 8방울, 맥주 32방울에 포함된 알코올의 양과 같다.

 

<주의> 아세트알데히드는 자극성이 매우 큰 기체이므로 환기가 잘 되는 곳에서 실험을 하도록 한다.

 

2. 실험 과정

(1) 0.1M 중크롬산칼륨(K2Cr2O7) 40mL를 준비한다.

(2) 6M 황산용액 20mL를 섞어 실험용 혼합용액을 만든다. 진한 황산이 18M이므로 증류수와 1 : 2의 비율로 섞어 6M 황산용액을 만든다. 진한 황산을 물과 혼합할 때는 반드시 증류수에 황산을 소량씩 부으며 잘 섞어준다.

(3) 이 혼합 용액에 실리카 겔 약 10g을 넣고 하룻밤 동안 방치하여 혼합용액이 실리카겔 속으로 스며들게 한다.

 

(4) 다음 날 실리카 겔이 들어 있는 용액을 거름종이가 설치된 깔때기에서 자연 여과시킨다.

(5) 걸러진 주황색의 실리카 겔을 후드 내에서 자연 건조시킨다.

➥ 건조된 실리카 겔은 어떤 색깔을 띠는가?

 

(6) 준비된 아크릴 관 한 쪽 끝을 솜으로 막고 약 5g 정도의 실리카겔을 아크릴관 속에 넣은 다음 다른 한 쪽 끝도 솜으로 막는다.

<주의> 실리카겔을 만질 때는 손에 묻지 않도록 비닐 장갑을 낀다!

(7) 풍선 속에 에틸알코올 소량 넣고 풍선을 분 다음 아크릴관의 한 쪽 끝에 연결하고, 풍선을 살짝 눌러주며 풍선속의 기체가 아크릴관 속의 시료를 서서히 통과하도록 한다.

 

<주의> 알코올을 넣고 풍선을 불 때 알코올이 입에 묻지 않도록 주의한다!

 

3. 실험 결과

① 풍선 속의 기체를 아크릴 관에 불어 넣으면 실리카 겔은 어떤 색깔로 변하는가?

 

② 알코올 농도에 따라 색깔이 변하는 정도는 어떻게 달라지는가?

 

③ 색깔이 변한 실리카 겔은 시간이 지남에 따라 색깔이 변하는가?

 

④ 실리카 겔의 색깔 변화로 날숨 속의 알코올 농도를 어떻게 알 수 있을지 토론해 보자.

 

활동 3. 음주 측정기의 활용

1. 음주 측정기의 원리

검사를 받을 사람은 음주측정기 안으로 자기의 날숨을 불어넣는다. 결정의 색깔이 튜브에 표시된 색깔까지 변하게 되면 음주운전이 된다. 음주측정기 안에는 중크롬산칼륨과 황산을 실리카겔에 흡착시킨 물질이 들어있는 셀이 있다. 보통 알코올이 체내에 흡수되면 산화되어 알데히드로 된다. 알데히드로 환원성을 가지기 때문에 다른 물질을 환원시키고 자신은 산화되어 카르복시산이 된다.

음주측정기는 이 성질을 이용하여 알코올 혈중농도를 측정한다. 즉 음주자의 날숨에 포함되어 나온 알데히드가 중크롬산 이온에 포함된 크롬 6+를 3+로 환원시킨다. 이 때 크롬 6+의 주황색이 3+의 녹색으로 변하게 된다. 이 변화를 분광계로 분석하면 ppm단위 즉 백만분의 1 농도까지 측정할 수 있다.(경찰 : 영국제 라이언 제품 사용)

2. 여러 가지 시료의 알코올 농도 측정

(1) 준비된 시료(술 A, B, C, D) 일정량을 풍선에 넣고 공기를 음주 측정기에 불어 넣어 공기 속의 알코올 농도를 측정해 보자.

시료측정 횟수 A B C D
1회
2회
3회
평균

➥ 어떤 시료의 알코올 농도가 가장 높게 나왔는가?

 

 

(2) 술이 아닌 음료를 마신 사람도 음주 단속에 걸릴 수가 있다. 준비된 여러 음료를 대상으로 알코올이 들어있는지 측정해 보자.

시료측정 횟수
1회
2회
평균

➥ 이와 같은 결과가 나온 이유를 설명해 보자.

 

 

(1) 음주 측정기에 이용되는 반도체식 알코올 센서의 원리에 대해 조사해 보자.

(2) 같은 양의 술을 마셔도 어떤 사람은 음주 단속에 걸리고 어떤 사람은 걸리지 않는다고 한다. 그 이유를 설명해 보자.

 

(3) 술을 마신 직후부터 혈중 알코올 농도가 어떻게 변하는지를 조사해 보자.(그래프)

 

<참고자료>

1. 국립과학수사 연구소 혈중 알코올 함량 분석

 

2. 닛산, 도요타 이어 볼보도 ‘알코가드’ 첫선

‘전 세계 자동차 제조사들의 술과의 전쟁을 선포했다?’

스웨덴 유명 자동차 업체 볼보(Volvo)는 이번 주 초 해외 언론에 배포한 보도자료에서 “음주량 측정을 통해 자동차 시동을 제어할 수 있는 ‘볼보 알코가드(Volvo Alcoguard)’ 기술을 개발했다”고 공식 발표했다. 이에 앞서 지난 7월 말 닛산 등 일본 자동차 업계도 역시 이와 유사한 시스템을 공개하는 등 음주 운전을 막기 위한 묘책이 속속 등장하고 있다.

볼보 알코가드는 사람의 혈중 알콜 농도를 측정하기 위해 ‘연료전지’ 기술을 응용했다. 자동차에 시동을 걸기 위해서는 운전자는 반드시 무선 측정기에 음주 측정하듯 구멍에 바람을 불어야 한다. 혈중 알콜 농도가 0.2g/L 이상이면 시동이 아예 걸리지 않는 것이다. 0.2g/L이란 기준은 스웨덴 현지 법률을 기준으로 한 것으로, 출시 지역에 따라 제한 규정은 달라질 수 있다. 이 기술은 2008년부터 출시되는 볼보 S80, V70, XC70 시리즈부터 옵션으로 설치할 수 있다. 볼보는 자료에서 “유럽에서 발생하는 교통사고의 1/3이 음주운전과 관련이 되어 있다”며 “이러한 사고를 줄이기 위해 개발한 것”이라고 설명했다. 볼보는 또 “이 기술을 통해 음주 후 운전하는 일반적인 태도가 바뀔 수 있도록 이끄는데 도와줄 수 있을 것”이라고 전망했다.

 

3. Direct Methods of Alcohol Detection

When a person drinks an alcoholic beverage(ethyl alcohol: ethanol), approximately twenty percent of the alcohol is absorbed in the stomach while the remaining eighty percent is absorbed in the small intestines. The absorbance rate of a person is dependent on the concentration of the alcohol, the type of drink, and whether the stomach is full or empty. Once this absorption takes place, the alcohol enters the bloodstream dissolving in the water of the blood. Then the blood carries the alcohol throughout the body, dissolving inside each tissue of the body (except fatty tissues). Once inside, alcohol begins to exert its effect on the body.

Alcohol can be detected in a number of ways including the use of breathalyzers, blood, urine, hair, etc… The most common and practical method, however, is the breathalyzer test, which are commonly used by police enforcement. There are three main types of devices. The first is the common breathalyzer which uses a chemical reaction involving a color change. The second device is called Intoxilyzer which detects alcohol by infrared (IR) spectroscopy, and the third device is called Alcosensor III or IV which detects a chemical reaction of alcohol in a fuel cell. Blood and urine analysis are also important alcohol detection methods because they are much more accurate, but are less practical because they require qualified personnel and more sophisticated analysis techniques. The main problem with alcohol detection, however, is that unlike other drugs such as marijuana, alcohol stays in one’s system for only a few hours. New methods, such as the use of Ethyl Glucuronide (EtG) which can detect alcohol in the blood for about 36 hours and in the urine for up to five days after heavy alcohol use, are being investigated to enhance alcohol detection.

 

조상환

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