ESPAÑA

El alcohol es una sustancia cuyo consumo entre los jóvenes es motivo de seria preocupación. Este trabajo demuestra que se puede educar contra el consumo de alcohol y a la vez, enseñar física, química y biología con eficacia.

El abuso del alcohol entre los jóvenes y los restantes problemas que el consumo descontrolado produce en todos los órdenes pero de un modo especial en lo que se refiere a los accidentes de circulación, hace que el estudio en el aula de todo lo referente a esta sustancia sea de un alto interés, tanto científico como humano.

Los distintos aparatos que se utilizan para detectar cuando un conductor no está en condiciones de conducir su automóvil y la física, química y tecnología en que se basan son un recurso didáctico de gran actualidad y utilidad, tal como se expone en este artículo.

Introducción

Las implicaciones de una sustancia química tan de actualidad como el alcohol etílico, en diferentes sectores científicos y sociales, ofrece la oportunidad de un interesante recurso a diferentes niveles didácticos. Además, en los nuevos currículos de Química en enseñanzas medias, se especifica como un referente obligado la importancia de resaltar las aportaciones e implicaciones de la Química en la tecnología y la sociedad, y de cómo la química está presente en todos los ámbitos de la sociedad con múltiples aplicaciones en otras áreas científicas como medicina, tecnología, biofísica, etc.

Estas razones y el interés mostrado por profesores y estudiantes universitarios, asistentes a eventos científicos divulgativos en que se han realizado demostraciones sobre el funcionamiento de los alcoholímetros, nos ha llevado a dar a conocer los diferentes sistemas y aparatos utilizados en la medida de la alcoholemia.

Necesidad de los controles de alcoholemia

En los países desarrollados de todo el mundo, el elevado número de accidentes de tráfico que tienen una relación directa con el excesivo consumo de bebidas con alcohol es muy preocupante. Por esta razón, han sido diseñados dispositivos específicos para que los policías de tráfico controlen los niveles de alcohol ingeridos por los conductores y sean sancionados aquellos que superen los niveles decretados por ley. En España, el análisis de las muestras de fluidos orgánicos realizados durante el año 2000 por el Instituto Nacional de Toxicología a conductores fallecidos en accidente de tráfico, mostró que más del 40% habían ingerido alguna cantidad de alcohol, de los cuales casi el 80% superaba el máximo permitido. Para disminuir estas alarmantes cifras, los controles se han incrementado espectacularmente en los últimos años (Gil, 1994).

En el sector laboral, existen programas de prevención y control de adicciones, para evitar que las personas adictas al alcohol pongan en peligro su seguridad y la del resto de trabajadores. Para disminuir los accidentes laborales, los atrasos, el absentismo y mejorar el clima laboral, se hizo necesario el disponer de un elemento práctico y objetivo para medir el grado de sobriedad de los trabajadores y evitar al Estado y a las empresas importantes costes por daños personales, materiales, sociales y sanitarios. Por ello cada vez es mayor la demanda social de sistemas de detección del contenido de alcohol en el organismo de las personas.

Historia de las pruebas de alcoholemia

Durante el siglo XIX, la policía encargada de hacer cumplir la ley hacía frente al problema de los abusos de alcohol encarcelando a los ebrios hasta que se les pasaran los efectos del alcohol. En el siglo XX, la llegada de los transportes de alta velocidad y de maquinarias complejas dieron alta prioridad a los test y pruebas de alcohol.

Hasta la mitad de 1940, el principal método de medida de los niveles de etanol implicaba la toma de una muestra de sangre, que posteriormente era analizada en un centro hospitalario mediante cromatografía de gases. Este sistema no era inmediato, necesitaba excesivo tiempo y era un procedimiento caro y agresivo.

En la década de 1950, las pruebas de etanol en sangre fueron reemplazadas por test de alcoholemia, proporcionando resultados evidenciales para el procesamiento. El creador del primer alcoholímetro fue Robert F. Borkenstein, quien diseñó en 1954 el "Breathalyzer" (Breath= respiración, Analyse = análisis), que basa su funcionamiento en la relación que existe entre la cantidad de alcohol ingerido, que se manifiesta en el aliento, y su correlativa proporción en la sangre (Borkenstein, 1962).

El método consistía en realizar una profunda espiración a través de un pequeño tubo; el aliento burbujeaba en una ampolla que contenía una disolución ácida (ácido sulfúrico 50%) de dicromato de potasio (0,25%) con nitrato de plata (0,25%) como catalizador, y se comparaba colorimétricamente mediante dos fotocélulas el cambio de color de la disolución con una ampolla de referencia sin abrir, que es directamente proporcional a la cantidad de alcohol en la muestra de aliento.

El método permitía medir la concentración equivalente de alcohol en sangre en tiempo real. En 1971, Richard A. Harte, utilizando la tecnología de infrarrojos, inventa el "Intoxilyzer", que fue el método principal de test de etanol en respiración en EEUU a partir de la mitad de la década de 1980.

La tecnología actual utiliza sistemas de medida de IR que son más específicos para el etanol utilizando filtros ópticos. Se determina el nivel de etanol en el aire pasando, a través de la muestra de aliento, una estrecha banda de luz IR, elegida por su absorción especifica para el etanol.

Debido al elevado coste de esta tecnología de IR y su escasa precisión a bajos niveles de concentración en el aliento, a mediados de la década de 1970 los fabricantes de instrumentos de medida de alcohol en aliento empezaron a desarrollar una tecnología alternativa, las células electroquímicas, también conocidas como fuel cell, que ofrecía importantes ventajas. Una fuel cell es un ingenio que genera electricidad mediante una reacción química de oxidación-reducción, como se detalla más adelante.

Actualmente en los alcoholímetros evidenciales más utilizados se emplea un procedimiento muy exacto y específico para la medida de alcohol en el aliento, una tecnología analítica dual de célula electroquímica-espectroscopia infrarroja.

En España, cuando el agente de tráfico consideraba que el conductor presentaba síntomas evidentes de estar bajo la influencia del alcohol ("habla balbuciente, andar tambaleante y ojos vidriosos", sic) se le conducía a un centro sanitario donde se le practicaba un análisis de sangre. Los primeros alcoholímetros empiezan a ser utilizados por la policía de tráfico en la década de 1970, "para controlar el cumplimiento del Reglamento General de Circulación, que prohíbe circular a los conductores que hayan ingerido bebidas alcohólicas cuando se superan las tasas establecidas reglamentariamente, se obliga a todos los conductores a someterse a las pruebas para la detección de las posibles intoxicaciones por el alcohol, que consisten, generalmente, en la verificación del aire espirado mediante etilómetros autorizados".

A partir de 1992 se realiza anualmente un control metrológico independiente de los alcoholímetros utilizados por la policía, lo que confiriere mayor carácter evidencial a las pruebas realizadas. En Mayo de 1999 (Real Decreto 2282/98 del Reglamento general de circulación) se establecen las actuales tasas de alcoholemia (0,3 g/litro para conductores noveles y profesionales y 0,5 g/litro de sangre para el resto de conductores) que sustituyen a las que estaban vigentes desde 1972.

Sistemas de análisis de alcoholemia

Las primeras pruebas a conductores, para comprobar si estaban ebrios, se basaban en la demostrada relación existente entre la disminución de las facultades físicas y por tanto de la capacidad de conducción, y un excesivo contenido de alcohol en el organismo. Consistían en la evaluación por la policía de tráfico de pruebas físicas de equilibrio, coordinación y percepción espacial , que se realizaban a los sospechosos de conducir bajo los efectos del alcohol; pero esta relación es difícilmente cuantificable si no es realizada por personal especializado.

Aunque lo más adecuado sería medir la concentración de alcohol en el cerebro, esto no es fácil, por lo que se tiene que recurrir a otras medidas que relacionen su presencia con la concentración en el interior de las células nerviosas. Algunas de los sistemas de análisis utilizados son en sangre, en orina, en saliva y en aliento.

A. Análisis de alcohol en sangre

Está ampliamente demostrada la relación directa entre la concentración de alcohol en la sangre y el grado en que las reacciones y las decisiones se ven afectadas.

El BAC (concentración de alcohol en sangre) se considera la medida habitual para medir los niveles en una persona que se encuentra bajo la influencia del alcohol. Se mide la concentración en la sangre y se estima la concentración dentro de las células, asumiendo que se llega a una concentración de equilibrio en la interfase sangre / célula .

La muestra de sangre se toma de la sangre venosa en la vena cubita del brazo o de sangre de un capilar en el dedo o lóbulo de la oreja. La muestra se deposita en un recipiente, se lleva a un laboratorio y se analiza por cromatografía de gases, con espaciadores de cabeza.

Es el examen legal más exacto que existe actualmente, pero presenta inconvenientes: el procedimiento es demasiado agresivo y caro, no es inmediato, requiere personal especializado y el traslado a un centro médico de análisis. Además, la muestra puede contaminarse en el proceso de extracción, transporte o almacenamiento.

B. Análisis de alcohol en orina

El test de orina indica la presencia de alcohol en el organismo, pero no indica el estado actual de la persona ni el contenido exacto de alcohol en la sangre. Después de consumido el alcohol se incorpora a la sangre a través del estómago en unos 15 minutos, originando efectos inmediatos. Seguidamente el organismo lo metaboliza y entre 1:30 y 2 horas después comienza a aparecer en la orina. Parte del alcohol que llega a la orina se ha biotransformado parcialmente a través de las enzimas presentes en el hígado en acetil-CoA y otra parte pasa a la orina por el riñón mediante una ultrafiltración a través del glomérulo, mediante la arteriola aferente, o bien mediante una difusión de la sangre a la orina, por lo cual no es posible cuantificar la cantidad de alcohol en orina. Por tanto, la prueba de orina para determinar el contenido de alcohol no ofrece una imagen real del estado actual de la persona. Los resultados indican el estado de la persona varias horas antes.

Los científicos no han encontrado una correspondencia directa y fiable entre la concentración de alcohol en la orina y la concentración de alcohol en la sangre. Además, la concentración de alcohol varía dependiendo del metabolismo de la persona y la cantidad de fluido que se encuentre en su sistema. Una persona que se encuentre ligeramente deshidratada tendrá tendencia a tener una concentración más elevada de alcohol en su orina que otra persona que tiene un nivel normal de fluido en su organismo. También, los elevados niveles de azúcar y de acetona en el cuerpo pueden producir fermentación en la orina, creando un falso positivo en contenido de alcohol.

Por todo ello, el test de contenido de alcohol en la orina es el método menos adecuado de los que se dispone actualmente.

C. Análisis de alcohol en la saliva

Aunque se cree que puede existir una relación entre la concentración de alcohol en la sangre y la concentración de alcohol en la saliva, todavía no se ha podido encontrar la tecnología ni la reacción química que lo demuestre con exactitud y fiabilidad.

D. Análisis de alcohol en el aliento

Para determinar el efecto que puede tener el etanol ingerido sobre la capacidad de conducir de una persona (que depende de la concentración de etanol en el cerebro), se mide la concentración de etanol en el aire exhalado. La concentración de etanol en el aire exhalado está en equilibrio con la que se encuentra en la sangre y ésta, a su vez, está en equilibrio con la que se presenta en el cerebro.

El análisis de etanol en el aliento tiene la misma fiabilidad que los mejores métodos y presenta algunas ventajas sobre el análisis de sangre:

• No es una prueba invasiva.
• Es más fácil, seguro y rápido obtener una muestra del aliento de una persona que una muestra de sangre o de orina.
• El resultado se obtiene de forma inmediata, a diferencia del tiempo que presenta un análisis de sangre o de orina.
• Es más económico tomar una muestra de aliento, y la probabilidad de alterar la muestra es nula.

Dispositivos de análisis de alcohol en el aliento

En la actualidad hay disponibles varios tipos de analizadores de alcohol en el aliento; unos son desechables y otros incluyen monitores de lectura digital que proveen resultados de validez legal. Se pueden clasificar en cuatro categorías diferentes:

A. Dispositivos de prueba de aliento evidenciales

Ofrecen resultados con carácter penal en los casos de conducción bajo efectos del alcohol. Se utilizan en los casos en los que se requiere una gran seguridad y precisión de medida. Los dispositivos evidenciales de prueba de aliento son caros y requieren un mantenimiento, reparación y calibrado regulares y deben ser utilizados por personal cualificado.

B. Dispositivos de mano portátiles

De manejo sencillo y económico, están diseñados especialmente para ser utilizados en situaciones donde no se dispone de mucho tiempo. Ofrecen resultados de presunción, son menos exactos que los evidenciales y requieren un período de recuperación entre pruebas, limitando el número de medidas que se realizan por hora.

C. Dispositivos desechables

Proveen resultados preliminares sin valor legal. Son los más económicos, aunque de un solo uso, y se utilizaron inicialmente para determinar si la persona debía someterse a un análisis de sangre oficial para su confirmación. Consisten en ampollas de vidrio cerradas que contienen cristales de dicromato de potasio en un medio de ácido sulfúrico. Antes de su uso se rompe la ampolla en una bolsa hermética y se sopla durante un tiempo normalizado. El alcohol del aliento se detecta por el cambio de color (del amarillo al azul verdoso) de los cristales de dicromato de potasio.

Si todos los cristales cambian de color el nivel de alcohol en la sangre se encuentra en o por encima del nivel que se está probando. Véase más adelante en la aplicación didáctica. Existen diferentes modelos calibrados 0,3%, 0,5%, 0,8% BAC (tasa de alcoholemia), que detectan los niveles prescritos por las diferentes legislaciones internacionales.

D. Dispositivos de bloqueo en vehículos (Interlock)

Consiste en un dispositivo que lleva incorporado un alcoholímetro con un sensor electroquímico que se conecta al encendido del vehículo, de modo que este no arranca hasta que se realiza la prueba con resultados negativos. Diseñado especialmente para el control de conductores en general y de transportes de mercancías peligrosas, autocares de pasajeros, trenes, ambulancias, etc.

Fisiología y alcohol: Relación entre concentración en sangre y aliento

El etanol es una sustancia volátil y como resultado, una cantidad de etanol, en proporción a la concentración de la sangre, pasa de la sangre a los sacos de aire alveolar en los pulmones, semejante a como el dióxido de carbono sale de la sangre alveolar y entra en los pulmones para ser exhalado del cuerpo. Por ello es posible analizar una muestra de aire alveolar para determinar la concentración alcohólica del aliento y de esta forma predecir la concentración en la sangre en ese instante.

En un informe publicado por Lijestrand y Linde en 1930, se discute la relación entre la concentración en sangre y en aliento. Se muestra que la cantidad de etanol contenida en 2 litros de aliento eran aproximadamente la misma que la contenida en 1 mL de sangre. Como se dirá más adelante, los dispositivos de análisis incorporan un caudalímetro que "avisa", por ejemplo, cambiando el color de una luz piloto, de que se ha recogido el volumen de aire alveolar deseado.

Históricamente se han llevado a cabo diferentes investigaciones para determinar la correlación entre las concentración en aire y en sangre, tanto "in vivo" como "in vitro", si bien en la primera etapa la correlación obtenida en las experiencias fue de 2000:1. En 1950 Harger, Forney y Barnes llegaron a la conclusión en sus experimentos de que la relación promedio es de aproximadamente 2100:1, para una temperatura de 34 ºC. Aunque la tasa adoptada en España es de 2000:1 (favorece al probante), algo superior a la tasa científicamente admitida.

Utilizando esta relación, un instrumento puede medir el etanol en el aliento y presentar un resultado en "unidades de alcohol en sangre" (BAC) en unidades de peso por volumen de fluido sanguíneo (gramos de alcohol/ litro de sangre).

La determinación de la concentración de etanol en sangre por medio del aire espirado está basada en la existencia de esta relación definida entre la concentración de etanol en la sangre que pasa por los pulmones y el aire de los alvéolos. Al final de la inspiración y debido a la enorme superficie de contacto entre la sangre y el aire se produce, según la ley de Henry, un equilibrio entre la distribución del etanol en ambas fases. Dado que la temperatura del sistema se mantiene prácticamente constante, la concentración de etanol en la fase gaseosa depende solamente de la concentración en la fase líquida.

El químico inglés estudió en 1803 el comportamiento de una sustancia volátil en disolución. Aunque Henry no estudió en concreto las disoluciones de alcohol, su ley se puede aplicar a las disoluciones etanólicas en agua que contienen menos de un 20% de etanol. A partir de estas observaciones, Henry dedujo que cuando se disuelve alcohol en agua en un recipiente cerrado, una parte del alcohol tiende a escapar de la disolución en forma de gas, de modo que la concentración en el aire crecerá hasta alcanzar un valor máximo, permaneciendo a partir de ese momento constante; este valor dependerá de la temperatura del sistema y de la concentración de etanol en la disolución.

Esta ley se puede aplicar al cuerpo humano: "Cuando una solución acuosa (sangre) de un componente volátil (etanol) alcanza un equilibrio con el aire (aire alveolar), existe una proporción fija entre las concentraciones de este componente en el aire y en la dicción (2000:1), a una temperatura determinada (la del cuerpo humano es constante)" (Hargar, 1974).

A partir de la ley de Henry , Kurt M. Dubowsky (Dubowsky, 1963) obtuvo la siguiente ecuación semiempírica (*):

(*) Como muchas de estas correlaciones, no es dimensionalmente homogénea, sino que viene expresada, con la introducción de constantes dimensionales y no universales, para ser utilizada con las unidades en que habitualmente se mide y que en este caso no son coherentes dimensionalmente.

Absorción, distribución y eliminación del etanol

Para entender los principios que rigen el funcionamiento de los test de alcohol es necesario el conocimiento de las diferentes etapas del etanol a través del cuerpo.

Intercambio alcohol-sangre-órganos

La principal ruta de metabolización del alcohol reside en el hígado; a través de alcohol deshidrogenasa y un cofactor NAD+, se transforma en acetaldehído. Cuando esta ruta metabólica está saturada, existen dos rutas secundarias para metabolizar el alcohol:

Después de ingerir la bebida alcohólica, el etanol sigue unas etapas hasta que se elimina en un 5-10% a través de los pulmones, la orina o la piel. Aproximadamente el 70-80% se absorbe a través del intestino delgado, y el resto por el intestino grueso y estómago, y en cantidades muy pequeñas en boca y esófago.

Este proceso se realiza mediante difusión simple, atravesando las paredes gástricas y penetrando en la sangre, siendo muy rápidos en estómago e intestino; está favorecido por estar en ayunas y en presencia de bebidas carbónicas (los alimentos grasos retrasan la absorción), pudiéndose detectar a los pocos minutos de la ingesta el etanol en sangre. El nivel máximo de etanol en sangre se alcanza entre los 15 y 90 minutos, dependiendo de si se está en ayunas, de los alimentos consumidos y del tipo de bebida.

El alcohol es soluble en agua y la corriente sanguínea lo lleva rápidamente a todas las partes del cuerpo, donde se absorbe en los tejidos en proporción a su contenido de agua, pero no es transformado por los jugos digestivos del estómago ni del intestino, sino que pasa directa y rápidamente a la sangre, que lo difunde a los distintos tejidos del organismo.

El organismo no puede almacenar etanol ni eliminarlo en cantidades mayores del 10 % por la orina, transpiración o respiración, por lo que lo metaboliza a sustancias más sencillas que se puedan eliminar con mayor facilidad.

El principal órgano de metabolización del alcohol es el hígado (también participan el estómago, intestino, riñón, pulmones y cerebro, pero su contribución al total del metabolismo del etanol es de escasa importancia). Sin embargo, solo puede oxidarlo a una cierta velocidad , por lo que permanece en la sangre y tejidos mientras dura el proceso.

El etanol en los tejidos produce efectos nocivos en el Sistema Nervioso Central, actuando de anestésico, porque es un agente depresor. También afecta a los centros encargados de gobernar las estructuras de la personalidad, con lo que se liberan los centros inhibidores de la monoaminooxidasa. A niveles más altos el resultado es hipoventilación, hipotermia e hipotensión, con la consecuente disminución en el metabolismo del etanol (Lundquist, 1958).

En rigor, el responsable de la toxicidad de las bebidas alcohólicas no es el etanol sino el acetaldehído, que como se ha visto, es un proceso intermedio en el metabolismo del alcohol. Antiguamente, para aborrecer el alcohol se trataba a los pacientes alcohólicos con Disulfirán (Antabus); el principio activo de este fármaco forma complejo con el cofactor cobre necesario para la actuación de la enzima acetaldehído deshidrogenasa, que transforma el acetaldehído en acetil-CoA, manifestándose en el paciente todos los males que engendra el acetaldehído al no poder biotransformar éste.

Los alcohólicos mejoran rápidamente su estado de embriaguez cuando se les suministra Coramina o Benadon (vitamina B6 fosfato de piridoxal). Se cree que esta vitamina produce una reacción de transaminación al acetaldehído, transformándole en etilamina, de efectos menos tóxicos.

Cuando se bebe más etanol que el que se puede oxidar por las rutas metabólicas del hígado (0,12 g/kg·hora), dado que la velocidad de oxidación es constante, la alcoholemia continuará aumentando y empiezan a funcionar otras vías alternativas que oxidan el etanol, produciendo sustancias más tóxicas que el alcohol, que dan lugar a múltiples efectos tóxicos sobre diversos órganos (páncreas, músculos, médula ósea, sistema nervioso e hígado), y además se originan radicales libres que pueden dañar las células hepáticas, alterando funciones vitales como la energética e inhiben las defensas naturales del organismo (antioxidantes). Como es sabido, los antioxidantes naturales de nuestro organismo son los ?-tocoferoles, vitamina E.

Ruta metabólica del alcohol en el organismo

En las primeras etapas de la absorción, la sangre suministra alcohol a los tejidos del cuerpo, en tanto la concentración de alcohol en la sangre sea significativamente mayor que en los tejidos, hasta que se produzca un equilibrio. Al pasar un tiempo después de la ingestión del alcohol, la concentración de este va disminuyendo en la sangre y para restablecer el equilibrio es cedido por los tejidos a la sangre.

Tecnología del alcoholímetro

Los equipos alcoholímetros actuales utilizan dos principios de funcionamiento; la absorción de energía infrarroja y la fuel cell o célula electroquímica (Appleby, 1989).

A. Tecnología de absorción de energía infrarroja

Desde la mitad de 1980, la tecnología de infrarrojo ha sido el método principal de test de etanol en respiración en US. El principio de absorción de energía infrarroja puede ser usado para la identificación de la presencia de alcohol en el aliento. La energía IR es absorbida por el etanol a longitudes de onda de 3,4 micrómetros y 9,5 micrómetros. Este último nivel ofrece una especificidad adecuada para la determinación de etanol en el aliento. La banda de 9,5 micrómetros es característica de los alcoholes alifáticos primarios, mientras que los secundarios absorben a 9,09 micrómetros y los terciarios a 8,69 micrómetros.

El equipo utilizado se denomina célula de infrarrojos. Un modelo tipo consta de un emisor de ondas de distintas frecuencias. La energía radiante producida se concentra en un espejo cóncavo y se refleja a lo largo de toda la longitud de la célula. Atraviesa dos filtros ópticos que eliminan todas las longitudes de onda inferiores a 9,5 micrómetros. A continuación, la energía es recogida por un espejo cóncavo y pasada a través de un filtro que elimina todas las longitudes de onda superiores a 9,5. El detector de IR (D) recibe solamente la energía radiada a la longitud de onda adecuada. Esta energía recibida se convierte en energía eléctrica.

El proceso de análisis de la muestra por la célula de IR sigue las siguientes etapas:

• Se hace pasar la muestra por la célula de IR.
• La energía pasa a través de la muestra y es absorbida parcialmente por el etanol presente en la muestra.
• La reducción de energía IR se detecta en D, y como consecuencia produce una menor cantidad de energía eléctrica.
• La reducción de energía eléctrica está relacionada con la concentración de etanol en la muestra de aliento, usando la bien conocida ley de Lambert-Beers, la cual define la relación de proporcionalidad entre concentración y la absorción IR.
• Funcionamiento del detector de alcohol por absorción de infrarrojo
• Debido al coste de esta tecnología de IR, componentes mecánicos y otras limitaciones, los fabricantes de instrumentos de medida de etanol en aliento empezaron a buscar una alternativa. Una tecnología, células electroquímicas, también conocidas como fuel cell, ofrece importantes ventaja.

B. Tecnología de célula electroquímica

El origen de la fuel cell se remonta a hace más de 150 años, cuando el científico británico William Robert Grove en 1838, observó que sumergiendo dos electrodos de platino en ácido sulfúrico, y haciendo burbujear hidrógeno en uno de los electrodos y oxígeno en el otro, se creaba un flujo de corriente entre los dos electrodos como resultado de la reacción. Esto le llevó a realizar un experimento en el que combinó distintos electrodos en un circuito en serie y creó lo que el denominó "gas battery", la primera fuel cell, pero no explicó suficientemente cómo se producía el proceso.

En 1893, Friedrich Wilhelm Ostwald demostró experimentalmente la función de cada uno de los componentes que formaban parte de la celda: electrodos, electrolitos, agentes oxidantes y reductores, aniones y cationes.

En esa época no había aplicaciones prácticas para la fuel cell a causa del elevado coste y de diversos problemas tecnológicos hasta que en 1960 la NASA comenzó a producir versiones para el suministro de energía eléctrica de los vehículos espaciales. Actualmente está técnica, considerada como limpia y silenciosa, es objeto de intensas investigaciones y desarrollos, con vistas a su aplicación a automóviles, ordenadores portátiles, teléfonos móviles, etc.

En su forma más sencilla, la fuel cell de etanol consiste de una capa porosa, químicamente inerte, recubierta en ambos lados de platino finamente dividido (llamado platino negro). El fabricante impregna las capas porosas con una disolución electrolítica de ácido y conecta un cable de platino a las superficies de platino negro. El conjunto se monta en una carcasa de plástico, el cual también incluye una válvula de aire que permite introducir la muestra de aliento.

La reacción (**) tiene lugar en la superficie superior de la célula, transformándose el etanol en ácido acético. En el proceso, se originan dos electrones libres por molécula de etanol, siendo liberados en el proceso iones H+ que emigran a la superficie inferior de la célula, donde se combinan con el oxígeno atmosférico para formar agua, consumiendo un electrón por cada ion H+ en el proceso. De este modo, la superficie superior tiene un exceso de electrones, y la inferior tienen el correspondiente déficit de electrones. Al conectar las dos superficies eléctricamente, fluye una corriente a través del circuito externo para neutralizar la carga. La célula genera una respuesta lineal que es proporcional a la concentración de etanol en el aliento. Procesando la señal adecuadamente se puede mostrar directamente en una pantalla la BAC ("blood alcohol concentration").

El procedimiento de análisis sigue el siguiente proceso:

• Se introduce la muestra de aliento en la célula.
• Se oxida el alcohol de la muestra en uno de los electrodos (ánodo).
• El oxígeno atmosférico se reduce en el otro electrodo (cátodo).
• Se produce una corriente entre los dos electrodos que será proporcional a la cantidad de etanol que se oxide.
• La medida de esta corriente indica la cantidad de etanol oxidado.
• Célula electrolítica fuel cell

(**) La reacción que tiene lugar está catalizada por el platino, catálisis heterogénea, sin que intervengan biocatalizadores como sería el caso de la alcohol deshidrogenasa con el cofactor NAD+ antes mencionada, que transforma el etanol en acetaldehído o la alcohol oxidasa que hace reaccionar el etanol con el oxígeno (O2) para dar acetaldehído y peróxido de hidrógeno.

C. Tecnología de sensor dual

Se basa en la medida de la absorción de energía IR y la célula electroquímica (Draeger, 2000). La combinación de ambas tecnologías origina un procedimiento muy exacto y específico para la determinación de etanol en el aliento, con validez evidencial a efectos de sanción.

El instrumento monitoriza el flujo y volumen del aliento y utiliza un sensor IR para ofrecer información continua de la concentración de alcohol en el aire espirado. Esto se denomina análisis en tiempo real de la muestra.

Primero tiene lugar un autochequeo y un ensayo cero automáticos en el instrumento; después la muestra se introduce en el equipo a través de un tubo hasta la célula IR. La muestra es analizada en serie por los dos métodos diferentes. Una pequeña parte de la muestra llega a la célula electroquímica y es analizada automáticamente.

El resultado de un análisis se confirma con el otro. De nuevo se realiza un autochequeo y un ajuste de cero, y solo entonces aparece impreso en pantalla el resultado. Si durante la autocomprobación se detecta algún error o el resultado de un análisis no es confirmado por el otro, el instrumento indicará "error" y abortará de forma inmediata el análisis. Sistema de detección dual

Aplicación didáctica: el alcoholímetro químico

Los primeros dispositivos, utilizados para detectar la presencia de alcohol etílico en el aliento, se basaban en una reacción de oxido-reducción. Al introducir una muestra de aliento con alcohol en el analizador, se produce un cambio de color del reactivo desde el naranja al azul verdoso, debido a que el etanol contenido en el aliento se oxida hasta ácido acético y el cromo(VI) presente en el reactivo se reduce a cromo(III). Analizando colorimétricamente el cambio de color se puede determinar el nivel de alcohol en el aliento y a partir de su relación con la sangre se obtiene el BAC.

Reacciones iónicas:

• Primera etapa: oxidación del etanol a etanal
• Segunda etapa: oxidación del etanal a ácido etanoico

Disoluciones:

• Preparación de la disolución de dicromato: mezclar con cuidado 40 mL de ácido sulfúrico en 40 mL de agua destilada y disolver 0,1 g de dicromato de potasio.
• Preparación de las bebidas alcohólicas simuladas: diluir diferentes cantidades de etanol en agua destilada hasta obtener las disoluciones deseadas.

Material:

- Dos frascos lavadores de 250 mL

- Tubos de silicona

- Boquilla de plástico de un solo uso

Procedimiento:

• Con los pulmones llenos se sopla a través de la boquilla durante unos 8 segundos de forma continuada.
• El aire exhalado pasa a través del primer frasco lavador (simulador de nuestro organismo) que contiene una cantidad predeterminada de etanol y agua.
• El aliento cargado de etanol pasa al segundo frasco lavador (simulador de alcoholímetro) donde burbujea en una disolución de dicromato de potasio. Se analiza el color resultante; si el color naranja del dicromato no cambia, la prueba ha resultado negativa y si cambia a verde-azulado el resultado de la prueba es positivo y se ha sobrepasado el máximo al cual ha sido calibrado.

Puede observarse que el cambio de color a verde no es directo sino que pasa durante unos segundos por un color marrón, debido a la mezcla de color naranja del dicromato y del verde del Cromo (III) que se está formando.

Repetir el procedimiento utilizando una bebida sin alcohol para comparar los resultados.

Cálculos de masa, energía y tasa alcohólica

La cantidad de alcohol en gramos que aporta una bebida alcohólica se calcula a partir de la expresión:

m(g) = V x D x G

donde V es el volumen de la bebida alcohólica en mL, D la densidad del alcohol, que se toma 0,8 g/mL y G es el grado alcohólico de la bebida en tanto por ciento de etanol.

El aporte energético de las bebidas varía en función del grado alcohólico y del contenido en azúcares. Cuando se metaboliza 1 g de etanol se producen 7 kcal. Se calcula con la expresión:

E kcal) = m(g) x 7 kcal/g

La tasa de alcoholemia (BAC) según los estudios de Widmark se obtiene según la correlación empíricia (***):

donde m es la masa de alcohol determinada según se indicó anteriormente, M es la masa corporal del bebedor expresada en kg y R es el coeficiente de difusión corporal, que vale 0,55 para mujeres y 0,68 para hombres y compensa la diferente distribución de alcohol en los tejidos.

(***) Otra forma de expresar la ecuación es At = Ct x M x R, donde Ct es el índice de alcoholemia en g/L de sangre, M es la masa corporal y R el coeficiente de difusión corporal. Esta expresión es equivalente a m(g) = V x D x G.

La tasa de alcoholemia medida en miligramos de alcohol por litro de aire espirado se obtiene a partir de la equivalencia legal en España entre la cantidad de alcohol en sangre y en el espirado que, como se dijo, es de 1 a 2000.

La tasa máxima en aire espirado es en consecuencia:

Agradecimientos

A Draeger Hispania y a la Guardia Civil de Tráfico por las facilidades y valiosa información proporcionadas. A nuestros alumnos del IES Las Lagunas y a Dª Raquel Ramos, licenciada en químicas, por su colaboración y apoyo entusiasta. A todos los que se atrevieron a "soplar" en nuestro "invento".

En memoria de Robert Borkenstein, fallecido el diez de Agosto de 2002, inventor del "Breathallyzer"en 1954, el primer alcoholímetro, que permitía medir fácilmente los niveles de alcohol en sangre a partir del aire exhalado, además de inventar un proceso de impresión en color y colaborar en el desarrollo del polígrafo o detector de mentiras. Estudió para forense en la Universidad de Indina, donde fue decano del departamento de Estudios Forenses y director del centro de Estudios Legales.