QCL在分析环保应用中可以做什么？来，抄答案

量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，简称QCL）自1994年被发明以来，已经历了28年的发展历程，因其极好的稳定性、单色性、窄线宽、高输出功率、波长覆盖范围宽等特点成为了中红外领域的潜力光源，广泛应用于科研、工业、环保、医疗、安防等领域。

本文将详细梳理QCL在分析环保领域的应用案例，主要包含温室气体监测、大气污染物监测、中红外碳同位素分析仪、碳达峰/碳中和相关碳排放监测等。除最 新推送外，点击此处可查看往期QCL相关文章“快来打卡，QCL在科研领域的九大应用”。

案例一：温室气体监测

背景介绍：工业生产、燃料燃烧、机动车尾气排放等人类活动产生的温室气体加剧了全 球气候变暖，温室气体监测是研究温室气体变化趋势的基础。随着“碳达峰”和“碳中和”国家战略实施，温室气体精确监测将成为降碳目标的重要前提。

案例分享：常见的6种温室气体为CO2、CH4、N2O、HFCs、PFCs、SF6，基于激光光谱学原理的气体检测技术是目前温室气体监测技术的主流研究方向。美国普林斯顿大学搭建的N2O和CO气体传感系统在实验室条件下实现了0.15 ppbv-N2O和0.36 ppbv-CO的检出限，实验所采用的激光器是滨松4.54 μm TE制冷CW DFB QCL。

图1 N2O和CO气体传感系统

产品优势关键词：波数精度、温漂误差、锁模误差

参考文献：

Compact and portable open-path sensor for simultaneous measurements of atmospheric N2O and CO using a quantum cascade laser

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案例二：大气污染物监测

背景介绍：二次颗粒物污染主要由NO、NO2、NH3、SO2、VOC这些前体物相互反应形成的，这些前体物的浓度监测是研究 PM2.5形成与演化过程的关键。QCL检出限非常高，可达到亚ppb级别，非常适合大气污染物气体实时连续在线监测。

案例分享：国内安光所和长光所等研究人员采用滨松4.6 μm附近的量子级联激光器作为光源, 基于TDLAS技术搭建了一套CS2吸收光谱测量系统，对光谱范围为2178.99-2180.79 cm-1的CS2吸收光谱展开了深入研究，经计算对应谱线线强不确定度小于5%，有望填补HITRAN数据库光谱参数的空白。

图2 CS2吸收光谱测量实验装置结构图

参考文献：基于可调谐激光吸收光谱技术的二硫化碳中红外光谱参数测量

案例三：中红外碳同位素分析仪

背景介绍：碳同位素分析是开展环境研究的有力手段之一，后续的发展趋势是满足低气样消耗和快速采样率的情况下进行高精度的现场实时测量。稳定同位素比值质谱仪（IRMS）在低样品消耗下提供了极高的精度，然而对于工作环境的高要求使得IRMS不适合现场部署。由于激光吸收光谱固有的稳定性，基于激光吸收光谱的同位素比值分析仪可以现场部署。

案例分享：美国Arrow Grand公司利用气相色谱-红外光谱联用技术（GC-IR）改变了当前的化合物特定气体同位素测量方法，由曾经的实验室专用质谱仪变成了可现场检测的红外光谱仪，通过将中红外激光束（DFB QCL）耦合到中空波导（HWG）中，CO2气体通过该波导流动。通过利用这一突破性的技术，有望用于石油天然气行业的同位素测量。

图3 同位素分析仪装置示意图

参考文献：Development of IR2-Hi5 multipass MIR isotope analyzer for plant photosynthesis and respiration study

案例四：FTIR-QCL联用

背景介绍：FTIR和红外激光成像各自具有明显的优势，只有将两者结合起来才能达到最 佳效果。FTIR成像相当于是在红外振动峰上进行积分，只需要测试对应的光谱范围，而基于QCL的红外激光测量速度相比FTIR快几个数量级以上。

案例分享：法国鲁昂大学研究人员联合国外一家公司将商业化的FTIR光谱仪与宽调谐EC-QCL激光器模块联用，在不丢失光谱信息的情况下时间分辨率提升了几个量级，从几十ms（快速扫描FTIR光谱仪）大幅提高到几μs。

图4 FT-IR光谱仪与QCL联用示意图

参考文献：Coupling a Rapid-Scan FT-IR Spectrometer with Quantum Cascade Lasers within a Single Setup: An Easy Way to Reach Microsecond Time Resolution without Losing Spectral Information

案例五：碳达峰/碳中和相关碳排放监测

现在“碳达峰”和“碳中和”是一个热点，气候变化是当今人类面临的重大全 球性挑战，温室气体排放与大气污染物排放具有同根、同源、同过程的特点。从2008年起，国家陆续建成16个大气背景值监测站，其中部分站点能够实时监测CO2和CH4，这其中温室气体本底观测离不开高精度的温室气体分析仪。
现如今高性能的光腔衰荡技术（CRDS）、离轴积分腔输出光谱技术（OA-ICOS）气体分析仪，已经在国内大气背景站及其他温室气体测量领域占据了绝 对市场，检出限可达ppb至ppt。并且光腔衰荡技术（CRDS）还多次被WMO官方发布的温室气体监测规范提及，所用的光源主要以QCL为主。具体原理如下图所示。

图5 CRDS工作原理示意图

案例六：海洋船舶排放遥测

航运对沿海人口密集地区的氮氧化物和硫化物沉降影响巨大，如英国、比利时、荷兰等国家。由于全 球对于船舶排放硫含量的要求越来越高，船舶废气净化系统EGCS（也叫脱硫塔）的出现引起国际海事组织及各国广泛关注。根据国际防止船舶造成污染公约决议，全 球性的船舶硫含量标准0.5% m/m已于2020年1月1日生效实施。为此船舶将需要持续监测SO2与CO2气体含量的比值，将其作为尾气净化性能的一个指标。与NDIR相比，基于QCL的激光光谱技术可显著降低信号噪声，校准工作减至每年一次（红外法需要每周校准一次），此外运行成本有望降低50%，备件数量也较少。目前日本已推出商用化的EGCS激光 气体分析仪，用于船舶洗涤器。

案例七：汽车尾气排放遥测

传统的汽车尾气遥测采用NDIR、DOAS 等方法，设备成本低，户外应用时受环境温度、湿度以及背景气体影响严重，响应时间慢，存在严重的漂移，导致无法准确测量尾气排放各污染物浓度值。新一代的基于QCL的TDLAS技术，在抗干扰能力、检出限、稳定性、寿命以及响应时间等方面具有明显的优势。