基于室温连续波EC-QCL的光学传感器，实现畜牧业温室气体排放的实时同步监测

产品指南2026-9- 30

文献来源：Shen F., Chen D., Wang G., Lu J., Hu X., Gao X., Fertein E., Chen W. Real-time monitoring of CH₄ and N₂O emissions from livestock using mid-infrared external cavity quantum cascade laser absorption spectroscopy. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2024, 327: 109131. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2024.109131 (Open Access)

一、背景

畜牧业是甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）的重要排放源，这两种温室气体的百年尺度全球增温潜势（GWP）分别为CO₂的约28倍和265倍。准确监测牲畜养殖过程中的CH₄和N₂O排放，是编制温室气体排放清单、评估减排措施效果、优化饲养管理策略的理论与实践基础。

中红外（MIR）波段是CH₄和N₂O的“基频振动吸收区”，吸收线强度比近红外高1−2个数量级。EC-QCL的高光谱功率密度与窄线宽特性，使中红外TDLAS成为畜牧养殖温室气体监测的理想技术路径。

二、系统核心优势

（1）EC-QCL高光谱功率密度

系统采用连续波（CW）外腔量子级联激光器（EC-QCL），室温运转，工作波长约8 μm（1256−1257 cm⁻¹）。该波段同时覆盖CH₄的ν₄基频弯曲振动带和N₂O的ν₁基频伸缩振动带，且两条吸收线在该区域内相邻分布，可在单次激光扫描内同时被探测。

原Fig.1 实验装置示意图。CW EC-QCL输出的中红外激光经分束器（BS）分为信号光束和参考光束：信号光束进入Herriott多通池（有效光程100 m），参考光束经法布里-珀罗（Fabry-Perot）标准具进入VIGO探测器用于激光波长校准。两路信号均由VIGO热电冷却MCT探测器接收，经数据采集系统（DAQ）处理后获得吸收光谱。

EC-QCL的光谱功率密度较传统热辐射光源高出10⁴倍以上，配合100 m有效光程的Herriott多通池，使得ppb级浓度的CH₄和N₂O在单通吸收后仍产生可检测的吸收信号。同时，CW运转模式（区别于脉冲QCL）避免了脉冲间强度波动，为直接吸收光谱（DAS）的高精度浓度反演奠定了光源基础。

（2）有效光程

Herriott多通池通过两块高反射率凹面镜之间的多次反射，在紧凑的物理空间内实现了100 m的有效光程。这一设计直接带来两个收益：

l 灵敏度提升：根据Lambert-Beer定律，吸收度与光程成正比。100 m光程使ppb级浓度的微弱吸收信号被放大至可检测水平；

l 选择性增强：在高分辨率光谱中，不同分子的吸收线可通过其精确的中心频率和线型区分开。100 m光程配合EC-QCL的窄线宽（<0.01 cm⁻¹），使系统能够分辨CH₄、N₂O和水蒸气（H₂O）在1256−1257 cm⁻¹区域内的多条相邻吸收线，避免了交叉干扰。

原Fig.2 (a) 1256.4−1257.2 cm⁻¹范围内的直接吸收光谱，清晰显示了CH₄（~1256.5 cm⁻¹）、N₂O（~1256.4 cm⁻¹）和H₂O（~1257.0 cm⁻¹）的吸收特征；(b)−(d) 分别为CH₄、N₂O和H₂O吸收线的Voigt线型拟合结果，信噪比（SNR）分别为79、21和116，拟合优度R²均高于0.99。

（3）检测性能提升

原Fig.3 (a) 不同浓度CH₄标准气体的吸收光谱（0.69−4.19 ppmv），显示吸收度与浓度之间的线性关系；(b) 积分吸收度与CH₄浓度的校准曲线，斜率为0.77239，线性拟合R²接近1，验证了系统在宽浓度范围内的定量准确性。

原Fig.4 CH₄浓度的Allan-Werle偏差分析。在60 s平均时间下，CH₄的检测精度达到7.4 ppb；在115 s平均时间下，精度为8.6 ppb。系统在短至60 s的时间尺度内即可达到ppb级检测精度，充分满足畜牧养殖排放监测的实时性需求。

系统的1σ（SNR = 1）检测限（LOD）为：CH₄：26.8 ppbv；N₂O：20.3 ppbv；H₂O vapor：0.01 %。

这一灵敏度水平足以检测畜牧养殖排放引起的CH₄和N₂O浓度微小增量——当地环境空气中CH₄约2.12 ppmv、N₂O约427 ppbv，而畜牧养殖活动可使周围空气中CH₄浓度升高至环境水平的10倍，N₂O升高至1.5倍。

三、现场验证

原Fig.5 现场测量实景照片（法国Couderkerque Branche市Vernaelde农场）。左图为EC-QCL光谱仪系统；中图和右图为马厩内部场景——马匹在围栏内的日常活动产生CH₄和N₂O排放，这些气体通过自然通风或强制抽气进入光谱仪的采样管路。

研究团队在法国家畜农场的马厩内开展了为期两周的连续现场监测。马厩内饲养数匹马匹，系统通过气泵将马厩内的空气持续抽入Herriott多通池进行实时分析。

原Fig.6 两周连续监测期间CH₄（黑色，左纵轴，ppm）和N₂O（蓝色，右纵轴，ppm）浓度的时间序列。红色虚线分别标注了当地环境空气中的CH₄背景水平（~2.12 ppmv）和N₂O背景水平（~427 ppbv）。监测期间，CH₄浓度多次飙升至20−35 ppm（最高约为环境水平的10倍），N₂O浓度升高至0.5−0.7 ppm（约为环境水平的1.5倍），清晰反映了马匹活动（进食、排泄）与温室气体排放之间的动态关联。

连续监测结果显示：

l CH₄浓度呈现明显的昼夜变化模式，白天马匹活动频繁时排放升高，夜间降低；

l N₂O浓度变化相对平稳，但在特定时段（如粪便清理后）出现峰值；

l 系统在两周内持续稳定运行，未出现明显的基线漂移或灵敏度衰减，证明了EC-QCL-TDLAS系统在农场环境中的长期可靠性。