实验室合成、表征以及基于Py-GCMS技术对13C富集聚乙烯的13C定量分析

《ACS Omega》：Laboratory Synthesis, Characterization, and Py-GCMS-Based 13C Quantification of 13C-Enriched Polyethylene

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使用 13C 同位素标记聚合物可以精确追踪化学转化和生物降解过程中的碳，从而为了解降解机制和环境影响提供宝贵见解。然而，这种标记聚合物的商业可用性仍然有限。这主要是由于缺乏合成相应聚合物所需的 13C 标记单体以及其生产成本较高。这些挑战阻碍了 13C 标记聚合物在研究和工业中的广泛应用。在这项研究中，我们报告了 13C 稳定同位素富集聚乙烯的实验室合成和表征。通过聚合标准乙烯单体和 13C 同位素标记乙烯单体的混合物，制备了含有约 25 wt% 13C 富集量的聚乙烯和共聚乙烯样品。对 13C 标记聚乙烯样品的表征表明，它们的微观结构特性与由常规乙烯单体制备的标准聚乙烯样品相似。此外，我们还使用热解气相色谱-质谱（Py-GCMS）以及传统的核磁共振（NMR）和同位素质谱（IRMS）分析了 13C 同位素的富集程度。我们的结果显示，Py-GCMS 测得的 13C 同位素富集值与传统的 IRMS 方法获得的结果相当，表明 Py-GCMS 可以作为聚合物样品中 13C 同位素分析的替代方法。

1. 引言
随着人们对微塑料和纳米塑料渗入环境的关注不断增加，关于它们对人类健康、野生动物和整个生态系统潜在影响的基本问题也随之出现。(1?7) 立法机构和消费者越来越关注识别微塑料和纳米塑料的来源、评估其潜在的健康和环境风险以及在整个价值链中减轻泄漏问题。(8?11) 在不同环境中识别微塑料的关键无疑是使用先进的表征方法。微塑料和纳米塑料的浓度较低且颗粒尺寸较小（通常分别小于 5 mm 和 1 mm 至 2 nm），这使得它们的识别和区分变得具有挑战性，特别是在富含有机物的介质中，如土壤。

热解气相色谱-质谱（Py-GCMS）已被广泛用于微塑料检测的研究领域。(12?18) 该方法通过将聚合物主链热分解为特征片段，从而能够识别和量化复杂有机基质中的微塑料。尽管在样品制备方面具有很大优势，但由于含有微塑料的基质的复杂性，可能会引入一些问题。此外，在解释所得质谱时，区分塑料的降解产物和基质中天然存在的生物物质也可能具有挑战性。因此，用碳同位素标记聚合物以追踪来自塑料材料的原子和分子具有明显的优势。碳特别适用于同位素追踪，因为它存在 14C 放射性同位素和 13C 稳定同位素形式。用这些碳同位素之一标记聚合物可以选 trimmed during chemical transformations and biodegradation into low molar mass compounds. 这种用于研究聚合物生物降解性的同位素标记方法自 20 世纪 70 年代初就已为人所知。最初的研究集中在使用 14C 放射性同位素标记和示踪分析来评估合成聚合物的生物降解。(19?21) 然而，涉及放射性同位素标记材料的方法存在某些缺点，包括高成本、严格的安全和 handling regulations，以及需要专门用于分析含放射性 14C 样品的仪器。(22,23) 使用 13C 同位素标记聚合物来追踪 chemical transformations and biodegradation过程中的碳具有一定的优势。13C 同位素是稳定的，不会导致放射性污染，也不受限制 regulations 的约束。(22) 此外，13C 标记单体相对便宜且易于用于合成聚合物。因此，许多研究人员已在各种聚合物系统中使用 13C 稳定同位素标记来评估 chemical transformations and biodegradation。

最近，通过对二氧化碳（CO2）、微生物生物量和矿化作用的追踪，研究了 13C 标记的可降解塑料（如聚丁二醇酸酯）(24) 和聚己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸酯) (25) 在土壤中的生物降解情况。此外，还研究了用 13C 同位素标记的几种常规聚合物（如聚乙烯)(26,27)、聚苯乙烯(28) 和聚丙烯酸酯(29) 的生物降解过程。此外，通过追踪标记产物，还研究了聚丙烯(30?33) 和尼龙-6,6(34,35) 在各种物理降解过程中的化学转化机制，例如氧化、热降解和 γ 辐射。

聚乙烯（PE）作为所有合成聚合物中占比最高的聚合物，由于其结构简单，是理解其结构组成和降解机制的理想模型。(36) 在这项研究中，我们报告了 13C 同位素富集 PE 的合成及其结构和平面形态特性的表征，并将其与天然存在的对应物进行了比较。此外，还探讨了使用 Py-GCMS 作为分析工具来确定 13C-12C 比值。Py-GCMS 生成了热解指纹图谱，揭示了二烯烃、烯烃和正烷烃的三重峰分布等模式，这些都是 PE 碎裂的标志。这些指纹图谱对于聚合物类型识别和降解评估非常有用。然而，由于碎片混合物复杂且分子离子强度较低，使用 Py-GCMS 确定纯聚合物中的 13C/12C 同位素比值具有挑战性。(37,38) 为了解决这个问题，在热解前引入了一个温和的氧化步骤。这一步模拟了环境风化过程，产生了更复杂的降解产物，有助于评估特定离子分布和降解机制。热解步骤还会从聚合物中生成 CO2，这对于确定 13C/12C 同位素比值至关重要。这种双重用途的方法结合了结构降解分析和同位素定量，从而增强了 Py-GCMS 在材料表征和同位素标记聚合物研究中的应用。使用同位素质谱（IRMS）进行了验证，以基准测试结果。

2. 材料与方法
2.1 材料
工业级标准乙烯单体和氮气（6 级）由挪威 INEOS Bamble AS 提供。这些标准乙烯和氮气通过分子筛柱纯化至聚合级：乙烯通过 13X 分子筛，氮气通过 3 ? 和 4 ? 分子筛纯化。分子筛从 Sigma-Aldrich 购买。聚合级正己烷由泰国 SCG Chemicals 提供，1-己烯由奥地利 Borealis AG 提供，两者都是免费样品，无需进一步纯化。氢气（6 级）由挪威 Nippon Gases 提供。助催化剂三乙基铝（TEAL）和 13C 标记的乙烯单体 ethylene-13C1（H2C = 13CH2），纯度为 99%，也从 Sigma-Aldrich 购买。Zeigler–Natta (ZN) 催化剂按照文献中的方法在实验室中合成。(39)

2.2 方法
2.2.1 聚乙烯样品的制备
通过高压反应器中的 ZN 催化聚合反应制备了四种不同类型的 PE 材料（详见下文）。其中两种是聚乙烯材料，一种是常规参考样品（样品名称：12C–H-PE），另一种是 13C 富集样品（样品名称：13C–H-PE）；另外两种是含有己烯共聚单体的共聚乙烯材料，一种是常规参考样品（样品名称：12C–C-PE），另一种是 13C 富集样品（样品名称：13C–C-PE）（表 1）。表 1 列出了用于可视化目的的合理聚合物结构和单体组成。
表 1. 目标聚乙烯类型和单体组成
run #目标聚乙烯乙烯单体共聚单体备注
标准乙烯，H2C = CH2 (vol %)ethylene-13C1，H2C = 13CH2 (vol %)
112C–H-PE1000非参考聚乙烯
213C–H-PE5050无
13C-富集聚乙烯
312C–C-PE10001-己烯
参考共聚聚乙烯
413C–C-PE6040
1-己烯
13C-富集共聚聚乙烯

图 1. 由标准单体和 13C 富集单体制备的高密度聚乙烯（(1) 和 (2) 以及线性低密度聚乙烯（(3) 和 (4)）样品的合理化学结构。所呈现的化学结构并不严格符合化学计量比。

聚合反应在 3000 mL 的高压不锈钢反应器中进行，该反应器具有自动温度控制和机械搅拌功能。在聚合反应之前，反应器在 150 °C 下真空干燥 1 小时，然后冷却至室温。首先向反应器中加入 500 mL 正己烷。接着加入 8 mg 的 ZN 催化剂和 0.2 mL 的 TEAL 助催化剂（预先在 2 mL 正己烷中混合），然后将反应器加热至 80 °C。催化剂和助催化剂的处理都在氮气气氛下的手套箱中进行。为了制备参考聚乙烯样品 12C–H-PE，在室温下准备了一种由 12.6 bar 的乙烯和 6 bar 的氢气组成的混合物，并在 80 °C 下以 1.7 bar 的 partial pressure 引入反应器。然后在 80 °C 下以 450 rpm 的搅拌速度进行 1 小时的聚合反应。反应器内的总压力保持在 3.0 bar。反应结束后，通过真空干燥去除正己烷，回收白色聚合物粉末。

在制备 13C–H-PE（13C-富集 PE）的反应中，所有聚合条件与 12C–H-PE 相同，除了单体进料不同。为了制备 13C-富集 PE 样品，首先按 50:50 的体积比预混合标准乙烯和 ethylene-13C1。随后，像制备 12C–H-PE 一样准备乙烯单体和氢气的混合物，并进行聚合反应。在几次共聚实验中，一种使用纯标准乙烯（12C–C-PE），另一种使用标准乙烯和 ethylene-13C1（13C–C-PE）的混合物，同时还向反应器中加入了共聚单体 1-己烯（2 mL，对应其室温下的密度），以制备乙烯-己烯共聚物。制备 12C–C-PE 和 13C–C-PE 的单体进料组成与 12C–H-PE 和 13C–H-PE 相同，除了额外的共聚单体己烯以及 13C–C-PE 中常规乙烯与 ethylene-13C1 的比例为 60:40。所有其他聚合条件保持不变。

2.2.2 凝聚物尺寸排阻色谱（SEC）
使用配备四个 PLgel 20 μm MIXED-A 柱（Agilent Technologies，Santa Clara，CA，美国）的 GPC-IR5 系统（Polymer Char，Valencia，Spain）确定了 PE 材料的重量平均分子量（Mw）、数平均分子量（Mn）和分子量分布。将大约 4 mg 的 PE 粉末在 160 °C 下预溶于 8 mL 的 1,2,4-三氯苯中 3 小时，然后将 200 μL 样品注入 SEC 系统。分析在 150 °C 下进行，使用高灵敏度红外检测器和 1,2,4-三氯苯作为流动相（流速 1 mL/min）。使用分子量分布狭窄、Mpeak 在 1140–7,500,000 g/mol 范围内的聚苯乙烯标准品（Agilent Technologies，Santa Clara，CA，美国）进行校准。

2.2.3 差示扫描量热法（DSC）分析
使用 TA DSC250 仪器进行 DSC 分析以评估聚合物树脂的结晶度。分析使用了厚度为 0.2 mm 的压缩模制薄膜样品。大约 3–5 mg 的样品被封装在密封的铝盘中进行分析。DSC 分析包括三个加热和冷却循环：(1) 以 10 °C/min 的加热速率将样品从 ?10 °C 加热到 200 °C 并保持 5 分钟；(2) 以 10 °C/min 的冷却速率从 200 °C 冷却到 ?10 °C 并保持 5 分钟；(3) 再次以 10 °C/min 的加热速率将样品从 ?10 °C 加热到 200 °C。从 DSC 分析的第二次加热段中评估熔点（Tm）、结晶温度（Tc）和熔化焓（ΔHm）。根据以下公式计算 PE 树脂的结晶度百分比（Xc）：??c(%)=Δ??m/Δ??f0×100，其中 ΔHf0 是 100% 结晶材料的熔化焓的参考值：293 J g–1。(40) 每个样品的分析进行了两次，报告了平均值。

2.2.4 热重分析（TGA）
使用 TA Instruments 的 Q5000IR 仪器对 PE 粉末样品进行了 TGA 分析。TGA 分析用于确定 PE 样品的热稳定性和不可燃无机物的含量。大约 10 mg 的样品在氮气气氛下从室温加热到 600 °C，在空气气氛下从 600 °C 加热到 1000 °C，加热速率为 20 °C/min。

2.2.5 傅里叶变换红外光谱（FTIR）
使用 PerkinElmer Spectrum TWO 仪器和 Spotlight 200i 显微镜对 PE 样品进行了 FTIR 分析。通过将粉末热压成 0.2 mm 厚度的薄膜来制备 FTIR 分析样品。通常使用 32 次扫描进行光谱平均，分辨率为 2 cm–1。在4000至500厘米^-1的频率范围内，以透射模式记录了FTIR光谱。进行了13C核磁共振（NMR）分析，以确定共聚物样品中的共聚单体含量，并评估13C富集聚乙烯（PE）样品中的13C富集程度。分析使用了配备5毫米高温冷冻探头和带有预热旋转盘的自动样品更换器的Bruker Avance III 400光谱仪。大约20-25毫克的聚乙烯样品溶解在0.5毫升的四氯乙烷-1,2-d2中，并在120℃下加热。溶液被装载到旋转盘中，旋转盘保持相同的温度。光谱是在以下条件下记录的：脉冲角度45°；采集时间2.83秒；松弛延迟5.0秒；共250次扫描。

IRMS分析是一种常用的分析方法，用于测量各种样品中的稳定同位素比值。使用Thermo Scientific Delta V Advantage IRMS仪器测定了合成PE样品中的13C/12C同位素比值。IRMS通过Thermo Scientific ConFlo IV接口与Thermo Scientific Elemental Analyzer IsoLink连接，以实现连续流动测量。对于分析，20至150微克的样品在1020℃下燃烧，使用氧气脉冲产生二氧化碳气体进行同位素分析。生成的二氧化碳通过ConFlo接口传输到质谱仪中，以测量同位素组成。预期的m/z值分别为12C16O16O为44，13C16O16O和12C16O17O为45，以及12C18O16O主要为46。使用Thermo Scientific的IRMS软件Qtegra中实现的“17O校正”算法校正了m/z = 45时12C16O17O的同位素干扰。根据其他研究者的描述，该软件应用了“17O校正”计算方法。从IRMS仪器记录的δ13C值计算出PE材料中的13C/12C比值和13C富集程度，参考标准为国际标准维也纳Pee Dee Belemnite（VPDB）。通过重复测量参考标准，评估了仪器的精度和准确性，δ13C的重现性为±0.1‰。使用CO2作为参考气体，IAEA-600作为校准标准。

对13C标记和未标记的PE材料进行了热解气相色谱-质谱（Py-GCMS）分析，以确定13C/12C同位素比值。对于此分析，将每个样品的100-200毫克放入失活的不锈钢样品杯中，然后引入multishot EGA/PY-3030D热解器（Frontier Laboratories Ltd., 福岛，日本），该热解器与7890N气相色谱仪和5975质谱仪（Agilent Technologies, Santa Clara, CA, USA）相连。对于热氧化PE的Py-GCMS分析，将约100毫克的粉末样品加入失活的不锈钢样品杯中，并在200℃的热空气中氧化70分钟。热解的实验条件如下：预选的热解温度设置为600℃；热解炉与GC-MS系统之间的接口温度设置为200℃；GC喷头以100:1的比例在300℃下运行。热解产物的分析是在包含5%二苯基和95%二甲基聚硅氧烷固定相的Ultra-Alloy金属毛细管柱上进行的（30米长，内径0.25毫米，Frontier Laboratories Ltd., 日本）。色谱条件为：载气温度70℃，升温速度20℃/分钟至350℃，持续16分钟；流量为1.0毫升/分钟。质谱参数：电子撞击电离（EI，70 eV），正模式下；离子源温度230℃；扫描范围29-350 m/z；接口温度300℃。数据分析使用了Agilent MassHunter和F-search（Frontier Laboratories Ltd.）软件，峰分配基于质谱库（NIST MS Search 2.4和F-search Ver. 3.7.1）。

本研究的目的是制备具有和不具有13C富集的聚乙烯样品，这些样品具有显著不同的微观结构（图1）。这些聚乙烯变体成功合成并进行了表征。表2展示了所制备聚乙烯样品的单体组成、催化剂产率和性能。使用标准乙烯单体（12C–H-PE）进行聚合反应，分别获得了310克/克催化剂小时（g PE/g cat h）和500克/克催化剂小时的产量。通过引入13C标记的乙烯单体（H2C = 13CH2）与标准乙烯单体（13C–H-PE）结合，也合成了具有13C富集的homopolyethylene和copolyethylene样品，这些反应的产量分别为630克/克催化剂小时和400克/克催化剂小时。这些结果表明，ZN催化剂在聚合标准乙烯和13C标记的乙烯方面同样有效。

表2. 合成聚乙烯材料的单体组成、催化剂（ZN）产率和性能摘要
| 单体组成 | 催化剂产率（g PE/g cat h） | 聚乙烯性能 |
|---------|-----------------|-----------------|
| 12C–H-PE | 310 | |
| 13C–H-PE | 630 | |
| 12C–C-PE | 500 | |
| 13C–C-PE | 400 | |
| 乙烯单体（体积%） | 100 | |
| C2H4 | 100 | |
| C2H4 + H2C = 13CH2 | 50 | |
| 共聚单体（类型） | nonene | 1-hexene |
| 1-hexene | | |
| 催化剂产率（g PE/g cat h） | 310 | |
| 630 | |
| 500 | |
| 重量平均摩尔质量，Mw（g/mol） | 130.9 | |
| 80.2 | |
| 数平均摩尔质量，Mn（g/mol） | 145.8 | |
| 117.3 | |
| 分散度，?（） | 8.7 | |
| 7.5 | |
| 5.8 | |
| 熔化温度，Tm（°C） | 135 | |
| 133 | |
| 131 | |
| 结晶温度，Tc（°C） | 118.5 | |
| 118 | |
| 115.5 | |
| 结晶度，χc（%） | 74 | |
| 74 | |
| 6.4 | |
| 3.5 | |
| 分解起始温度（°C） | 435 | |
| 415 | |
| 415 | |
| 435 | |
| 23至600°C间的重量损失（%） | 99.8 | |
| 99.8 | |
| 299.8 | |
| 99.7 | |
| 1000°C时的残留物（%） | 0.1 | |
| 0.1 | |
| 0.1 | |
| 0.2 | |

表2中列出了通过SEC测定的聚乙烯样品的Mw、Mn和分散度（?）。分子量分布曲线见图S1。在所制备的PE样品中，homopolyethylene样品（12C–H-PE和13C–H-PE）的摩尔质量（Mw和Mn）略低于copolymer样品（12C–C-PE和13C–C-PE）。仅使用标准乙烯单体合成的homopolyethylene的Mw和Mn值高于含有13C的乙烯化合物合成的聚乙烯。同样，在copolymer样品中，12C–C-PE的Mw和Mn值也高于13C–C-PE样品。这些结果表明，用hexene进行共聚会使聚合物的摩尔质量增大，可能是由于引入了较大的hexene单元。此外，homopolyethylene的Mn值显著低于copolymer样品，表明homopolyethylene含有更高比例的低分子量聚合物链。当比较聚乙烯材料的?值时，homopolyethylene的?值（8.7和7.5）高于copolyethylene（6.4和5.8）。homopolyethylene的较高?值表明其摩尔质量分布更宽，这与其线性结构和更结晶的性质有关。copolymer的较低?值表明其摩尔质量分布较窄。在含有13C单体的聚乙烯材料中，?值低于仅使用标准乙烯单体合成的相应PE材料。

使用DSC确定了合成聚乙烯样品的热性能参数Tm、Tc和χc（表2；DSC热图见图S2和S3）。由于更结晶的结构，两种homopolyethylene样品（12C–H-PE和13C–H-PE）的熔化温度略高于copolyethylene样品（12C–C-PE和13C–C-PE）。在copolymer中引入hexene共聚单体会引入短侧链，破坏结晶结构，从而导致熔化温度降低。此外，homopolyethylene由于其规则的线性结构具有更高的结晶度，而copolymer由于存在短侧链而具有较低的结晶度和更无定形的结构。homopolyethylene样品的结晶温度略高于copolymer材料。copolymer中hexene的存在降低了结晶温度，表明copolymer在冷却时需要更长时间来形成结晶结构。表2还列出了聚乙烯样品的TGA分析结果，如分解起始温度、23至600°C之间的重量损失以及TGA分析结束时的无机残留物量。所有PE样品都显示出一个主要的分解峰，表明材料组成相对均匀，并在一步中分解。在homopolyethylene材料中，13C–H-PE的分解起始温度略低，约为415°C，而12C–H-PE的分解起始温度约为435°C。从23至600°C之间的重量损失值可以看出，聚合物树脂的主要成分在这一步中分解。TGA后样品中的无机残留物量在0.13%到0.20%之间变化。

从13C NMR分析数据计算了12C–C-PE样品中的共聚单体含量。（44）对于13C–C-PE，通过分析甲基峰（对应于源自1-hexene单元的支链）和亚甲基峰（来自聚合物主链）来计算共聚单体含量。对于13C–C-PE样品，根据1-hexene衍生物单元的自然13C丰度和乙烯衍生物单元的计算13C丰度，对甲基和亚甲基信号进行了归一化。12C–C-PE和13C–C-PE中的共聚单体含量分别为0.3摩尔%和0.2摩尔%。合成聚乙烯样品的FTIR光谱存在轻微差异，特别是在指纹区域（图2）。在这里，1353、1368和1378厘米^-1的吸收峰分别对应于无定形聚合物区域的CH2摆动振动、结晶区域的CH2摆动振动和CH3对称弯曲振动。（45）图2显示了1400–1340厘米^-1频率范围内的13C富集和常规聚乙烯样品的FTIR光谱。从数据可以看出，使用标准乙烯单体生产的homopolyethylene（12C–H-PE）和copolyethylene（12C–C-PE）的CH2摆动吸收峰较为明显，而13C富集的homopolyethylene（13C–H-PE）和copolyethylene（13C–C-PE）则显示较小的肩峰。这种现象可能是由于13C富集聚合物中的CH2较重。1378厘米^-1处由CH3对称弯曲振动引起的FTIR吸收峰与聚乙烯样品中短侧链中的CH3末端基团有关。13C富集的copolyethylene（13C–C-PE）在1378厘米^-1处显示出明显的肩峰，而12C–C-PE则显示出较弱的肩峰，这可能是由于1365至1368厘米^-1的强峰干扰所致。CH3肩峰的出现证实了DSC和NMR分析关于两种copolyethylene样品中共聚单体掺入的发现。

合成聚乙烯样品的FTIR光谱还在1550–1750厘米^-1频率范围内进行了进一步检查（图3）。两种13C富集的homopolyethylene和常规homopolyethylene样品在1635厘米^-1处显示出FTIR吸收峰，这是由于乙烯基团的C═C伸缩振动。然而，copolyethylene样品中没有这种峰，这可能是因为在聚合过程中使用了氢，导致氢化不完全。图3显示了1740–1560厘米^-1频率范围内的FTIR光谱。两种13C富集的homopolyethylene和常规homopolyethylene样品在1890厘米^-1处都显示出FTIR吸收峰，而常规homopolyethylene和copolyethylene样品在1897厘米^-1处显示出峰。其他人也报道了PE中存在这样的吸收峰。（45）图4显示了1850–1950厘米^-1频率范围内的FTIR光谱。

通过核磁共振（NMR）和IRMS方法确定了聚乙烯样品中的13C富集程度。NMR可以通过测量样品中每单位质量的13C自旋的总磁化强度来确定PE样品中的13C富集程度。参考聚乙烯和13C富集聚乙烯样品的13C NMR光谱见图S6。通过了解13C富集样品的磁化强度与质量的比率，并将其与具有自然13C丰度的参考样品进行比较，可以计算样品中的13C含量。（46）计算得到的13C–H-PE和13C–C-PE的13C含量分别为25摩尔%和23摩尔%（表3）。这些测量结果与预期值相符，因为我们预计值接近25%。为了进一步确认13C的摩尔百分比，我们使用IRMS作为第二种方法来估算13C的含量。表3总结了13C–H-PE和13C–C-PE样品的13C NMR和IRMS分析结果。

| 样品 | 13C NMR结果 | IRMS分析结果 |
|------------|-----------------|--------------------|
| 13C–H-PE | 25 | 21.889 (65) |
| | 0.256 (0.10/0.39) | |
| 13C–C-PE | 23 | 24.607 (580) |
| | 0.286 (0.64/2.25) | |

IRMS分析能够精确量化材料中的13C/12C同位素比率。IRMS分析是在未标记的聚乙烯参考样品和13C富集的聚乙烯样品上进行的。参考样品12C–H-PE和12C–C-PE的δ13C值分别为-36.2 ± 0.2‰和-38.9 ± 0.2‰，这证实了它们没有13C的富集。13C富集聚乙烯样品的IRMS结果，包括δ13C值、13C/12C比率以及13C的摩尔百分比，都在表3中列出。13C/12C比率和13C的摩尔百分比是根据既定方法计算得出的。

3.3 13C富集聚乙烯样品的Py-GCMS分析
在600°C下对聚乙烯样品进行热解，产生了一系列典型的热解产物，反映了聚合物的结构（见图5）。Py-GCMS分析产生了从C6到C36的寡聚物片段的峰，这与之前的研究结果一致。热解谱图确认了代表二烯烃、烯烃和正烷烃的三重峰，链长范围从C9到C24。在这个范围内，三重峰被清晰地识别出来，证明了其明确的碎裂行为。然而，对于更长链的同系物（C24以上），由于共洗效应，峰分辨率有限，难以区分单独的三重峰。

图5显示了12C–H-PE、13C–H-PE、12C–C-PE和13C–C-PE样品在0到20分钟保留时间范围内的TIC热解谱图。

图6展示了12C标记和13C标记聚乙烯样品的热解谱图，两者在热解行为和产品分布上是一致的。然而，由于13C的引入，个别化合物的质谱显示出显著差异。例如，十二烷（C12，摩尔质量：170）是观察到的许多峰之一，其热解片段可达C46。12C标记的十二烷的质谱显示主要碎片离子位于m/z 29、41、43、57和85（见图7）。相比之下，13C标记的十二烷在m/z 29、41、42、43、44、55、56、57、58、70、71、84、85、86、98和99处有一组更宽的碎片峰，表明13C存在于分子的不同位置（见图8）。放大分子离子区域后，我们观察到12C-十二烷的m/z 170和170.4峰占主导（见图7），而13C标记的十二烷样品在m/z 171.9处有一个明显的峰，且没有m/z 170峰（见图8）。m/z 170峰的缺失以及13C样品向更高质量的偏移清楚地证明了13C在聚合物结构中的引入。

图7显示了12C-十二烷片段的质谱。插图展示了同一样品中十二烷分子离子的质谱。

使用Py-GCMS直接量化纯聚乙烯（PE）样品中的总13C/12C比率并不简单，因为存在一些分析和仪器上的限制。与专门设计用于高精度同位素比率测量的IRMS不同，标准的GCMS仪器和工作流程并未针对全分子或总碳水平的同位素量化进行优化。使用Py-GCMS进行直接同位素量化时面临的两个主要挑战是：（1）电子电离（EI）期间的大量碎裂：典型的Py-GCMS使用EI，这通常会导致热解产物的大量碎裂，使得特定链长的完整同位素分子难以追踪；（2）复杂的热解产物混合物：PE的热解产生了广泛的寡聚物片段，包括烷烃、烯烃和烯二烯，这些化合物在色谱图中共洗并重叠，导致质谱复杂，同位素模式难以分辨。为克服这些挑战，对PE样品进行了氧化处理，以便确定13C/12C同位素比率并研究氧化产物的形成。氧化过程引入了含有氧的功能团，如酮类、醛类和羧基。通过分析提取离子色谱（EIC）模式在m/z 58、59和60处的峰，确认了氧化PE样品中含有氧的组分的存在。氧化12C–H-PE和13C–H-PE的总离子色谱（TIC）和EIC分别显示在图9和图10中。两个氧化PE样品都展示了与m/z 58相对应的明显峰。此外，m/z 59的洗脱也支持了甲基酮功能团的存在。在13C–H-PE样品中，还观察到了m/z 60处的额外信号，对应于甲基酮的13C标记类似物。m/z 58和59的共洗以及m/z 60在13C–H-PE样品中的独特出现，进一步验证了13C的引入。

图11展示了原始和氧化13C–H-PE的TIC谱图，特别是在较低的保留时间处有明显差异。在氧化的13C–H-PE样品中，色谱图早期洗脱出的一个显著的CO2峰表明，在氧化步骤中引入的氧化物种发生了热降解，从而形成了CO2。通过测量m/z 44（12CO2）和m/z 45（13CO2）处的峰强度，可以对13C富集进行量化。

3.4 使用Py-GCMS确定13C富集
通过测量Py-GCMS中m/z 45（13CO2）峰的面积来量化PE样品中的13C富集。尽管Py-GCMS通常在惰性载体气体（如氦气）气氛下进行以防止燃烧，但在分析预氧化的PE样品时仍可能形成并检测到CO2。PE预氧化过程中引入的含氧功能团，如羧酸、醛类和酮类，是CO2形成的原因。在600°C的热解温度下，这些含氧团发生热降解，导致碎裂和脱羧，释放出CO2分子，而无需热解气氛中的分子氧（O2）。例如，羧酸和酯在热分解时容易脱羧形成CO2和碳氢化合物片段。同样，醛类和酮类在高温热解条件下也会进一步重组或氧化，生成CO和CO2。这一机制在聚合物降解文献中有详细记载，氧化或风化的聚乙烯会分解产生小分子，包括CO、CO2和H2O。在Py-GCMS分析过程中，这些挥发性产物被氦气带入GC柱，并由MS检测到。CO2作为一个尖锐的早期洗脱峰出现，其同位素可以通过其特征质量电荷比（m/z 44 for 12CO2和m/z 45 for 13CO2）来识别。因此，即使在缺乏大气氧的情况下，聚合物中预氧化官能团的原位分解也会产生可检测的CO2，从而可以使用Py-GCMS定量评估13C/12C比率。

为了确保13C/12C同位素比率的可靠性和可重复性，通过对200°C下的12C和13C均聚物样品进行不同氧化时间的测试来优化氧化过程。系统地增加氧化时间，并分析产生的CO2强度，以确定同位素比率稳定的点。目标是最小化达到稳定CO2形成和一致同位素比率测量所需的氧化时间。参考PE样品12C–H-PE分别氧化20、40和60分钟，然后使用Py-GCMS进行分析，并监测产生的CO2信号（见表4）。结果显示，13C/12C同位素比率在所有氧化时间内保持恒定为1.2%，表明超过20分钟的进一步氧化没有引入额外的13C富集或降解。这证实了参考样品保持了预期的天然同位素组成。

表4显示了不同氧化时间下12C–H-PE和13C–H-PE的13C/12C比率。

数据表明，13C标记的PE和13C–H-PE的最佳氧化时间分别为20、40、60和100分钟，测量了12CO2（m/z 44）和13CO2（m/z 45）的强度（见表4）。13C/12C比率从20分钟时的14.3%逐渐增加到60分钟时的25.4%。随着氧化时间的进一步增加，13C/12C比率的微小变化表明系统已达到平衡。基于这些发现，选择200°C下的70分钟作为标准氧化时间，以确保完全氧化和稳定的同位素比率测量。

为了量化PE材料中的13C/12C同位素比率，使用Py-GCMS分析了氧化的聚合物样品。利用13CO2（m/z 45）和12CO2（m/z 44）峰的强度来确定不同聚合物样品中的同位素比率（见图12）。结果总结在表5中。参考PE样品12C–H-PE的分析确认了天然的13C丰度水平，两次重复实验的结果均为1.18摩尔%。相比之下，13C标记的PE样品显示出显著更高的同位素比率，平均为25.4%。通过进行六次重复测量评估了该方法的精度，RSD为1.1%，显示出优异的重复性。氧化后还分析了共聚物样品12C–C-PE和13C–C-PE。参考共聚物12C–C-PE显示出天然的13C同位素丰度为1.18摩尔%。13C标记的共聚物13C–C-PE的平均同位素比率为28.4%，RSD为0.7%。这些结果进一步证实了Py-GCMS在不同聚合物组成中精确确定同位素比率的稳健性。13C–H-PE和13C–C-PE样品中的13C同位素富集值分别为20.22摩尔%和22.13摩尔%。

表5显示了通过Py-GCMS分析的热氧化PE材料中的平均13C/12C比率。数据清楚地显示了13C–H-PE和13C–C-PE之间的同位素引入差异。13C标记的共聚物显示出略高的13C/13C比率（28.4%），相比之下，13C标记的均聚物为25.4%，这表明在聚合过程中13C单体的引入效率可能存在差异。这些发现突显了Py-GCMS区分不同聚合物结构中同位素组成的能力。结果的重复性（体现在较低的标准差SD和相对标准偏差RSD值上）证实了Py-GCMS是一种用于确定聚合物中13C/12C比率的有效方法。此外，使用Py-GCMS分析对富含13C的聚乙烯样品进行13C富集度测定时，所得结果与IRMS方法得到的结果表现出很强的相关性，这表明Py-GCMS可以作为传统IRMS技术的可靠替代方案。未来的研究将通过监测合成的富含13C的聚乙烯样品中的13C含量，来探讨聚乙烯在各种环境中的降解机制。

4. 结论
通过聚合自然界中天然存在的或富含13C同位素的乙烯单体，成功合成了具有不同微观结构和13C富集程度的聚乙烯样品。这些聚乙烯样品在摩尔质量、熔点和结晶温度、结晶度、热稳定性、化学组成以及13C富集程度等方面进行了表征。使用约25%的富集13C的乙烯单体合成的聚乙烯样品，其微观结构特征与传统聚乙烯相似。尽管由于单体掺入量的差异导致摩尔质量略有变化，但所有样品的热稳定性都相当。DSC分析显示共聚物材料的结晶温度较低且结晶度较低，同时FTIR光谱中出现了归属于CH3末端基团的吸收峰（位于1378 cm–1处），这些现象表明共聚物中掺入了另一种单体。FTIR分析进一步阐明了所制备聚乙烯样品的微观结构中的化学组成变化。
通过IRMS对13C富集度进行定量分析，发现均聚聚乙烯（13C–H-PE）的富集程度约为25.6%，共聚聚乙烯（13C–C-PE）的富集程度约为28.6%。相比之下，13C NMR分析显示均聚聚乙烯的富集程度与此类似，但共聚聚乙烯样品的富集程度低约5%。对部分氧化的聚乙烯进行Py-GCMS分析所得的13C富集程度与IRMS的结果相当，这进一步支持了使用Py-GCMS进行13C富集度量化的可行性。
综合来看，我们的数据表明，富含13C的聚乙烯的性质与传统乙烯合成的聚乙烯几乎无法区分，因此它适合作为土壤微塑料矿化实验的材料，而不会出现由于物理化学性质偏离标准聚乙烯而导致的误差。