在气相色谱（Gas Chromatography，GC）的气—液填充柱中，担体是用于吸持和分散液体固定相的固体材料。样品进入色谱柱后，在载气与液体固定相之间反复分配；不同组分的分配程度不同，因而在柱内形成不同的迁移速度和保留时间。既然组分的主要保留差异来自液体固定相，承担支撑作用的担体为什么仍会影响柱效、峰形和分析结果的重复性？

         原因在于，色谱分离不仅取决于组分在气相与液体固定相之间的分配平衡，还取决于相间传质和柱内流动过程。担体的比表面积、孔结构和表面性质会影响固定液膜的分布及样品的传质过程；担体的粒径、粒径分布和装填状态会影响填充床内的流动路径与压降；未充分去活或未被固定液覆盖的表面还可能对样品产生附加吸附。因此，在气—液色谱中，担体通常不是主要分离选择性的来源，但会影响固定液产生的保留差异能否以较窄、对称且重复性良好的色谱峰表现出来。

1 色谱担体的定义与适用范围

1.1 什么是色谱担体

         国际纯粹与应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC）将色谱担体定义为通常具有多孔结构、用于吸持液体固定相的固体材料。担体的粒径范围会影响色谱柱效率，以及维持一定流量所需的压力差[1]。

本文所讨论的担体，主要指气—液色谱（Gas-Liquid Chromatography，GLC）填充柱中的颗粒状固体担体。

         在这类色谱柱中，液体固定相先涂覆在担体表面，涂覆后的颗粒再装入柱管。样品由载气带入色谱柱，在气相和液体固定相之间反复分配。不同组分的分配程度不同，因此在柱内的迁移速度不同，最终形成分离[1]。

其基本结构可以表示为：

         载气中的样品组分 → 接触担体表面的固定液 → 在载气与固定液之间反复分配 → 以不同保留时间流出色谱柱

1.2 担体、固定液、固定相和填料的区别

         这些概念在填充柱中关系密切，但含义不同。

         分子筛、活性炭、氧化铝和部分多孔聚合物在未涂覆固定液时，通常直接作为固体固定相或吸附剂使用。这类分离属于气—固色谱，其主要保留机制是吸附，不宜笼统地称为担体。IUPAC建议，当固体表面作用和液体分配作用同时存在时，可根据占主导地位的分离机制确定名称[1]。

2 担体为什么会影响色谱分离

         在气—液色谱填充柱中，固定液主要产生不同组分之间的保留差异，担体则通过影响固定液膜、相间传质、填充床流路和表面作用，改变这些保留差异的实际表现。下图概括了担体影响柱效、峰形、保留时间重现性和样品回收率的主要途径。

         担体对分离的影响可以归纳为三个方面。

2.1 担体影响固定液的分布和传质距离

         固定液需要在担体表面形成较均匀的液层。如果没有适宜的固体表面，固定液容易局部聚集，难以形成稳定而连续的分离界面。

担体的比表面积、孔结构和润湿性会影响固定液的涂覆状态：

         ①表面积和孔结构决定担体可以分散和负载多少固定液；

         ②润湿性影响固定液能否均匀覆盖颗粒表面；

         ③固定液负载量影响液层厚度和柱容量。

         样品组分从载气进入固定液，再从固定液返回载气，需要经过扩散过程。如果固定液分布不均，不同位置的液层厚度差异较大，样品分子完成相间传递所需的时间也会不同。部分分子较早返回载气，另一些分子仍停留在固定液中，色谱带因而逐渐展宽。

         固定液负载量过高时，液层增厚，液相传质速度可能下降；负载量过低时，柱容量降低，担体表面的活性部位也可能得不到充分覆盖。因此，比表面积和固定液负载量需要相互匹配，而不是单独追求较高数值。

2.2 担体颗粒决定填充床的流动结构

         担体颗粒装入柱管后形成填充床。载气沿颗粒之间的空隙流动，样品分子则随载气通过不同路径向柱出口迁移。

         如果颗粒尺寸差异较大，或者柱内存在疏松区、致密区和空隙，样品分子经历的流动路径和迁移速度便会出现差异。这种多路径效应会导致色谱带展宽。

较小且粒径分布较窄的颗粒通常有助于：

         ①缩短流动相中的横向扩散距离，并降低部分传质阻力；

         ②改善填充床均匀性；

         ③减少不同流动路径之间的差异；

         ④提高单位柱长所能提供的分离效率。

         但颗粒减小后，颗粒间通道也会变窄，载气通过填充床的阻力随之增加。经典的色谱速率理论表明，多路径效应、纵向扩散和相间传质阻力共同影响色谱带展宽[2]。因此，担体粒径的选择需要在柱效和压降之间取得平衡。

2.3 担体表面可能产生附加吸附

         担体的理想状态是对样品具有较低的表面活性，使样品保留主要由固定液控制。但未经处理的无机担体表面可能含有硅羟基、金属杂质以及酸性或碱性活性部位。

这些部位可能与样品发生：

         ①氢键作用；

         ②酸碱相互作用；

         ③偶极相互作用；

         ④不可逆或缓慢可逆的吸附；

         ⑤表面催化反应。

         当样品除进入固定液外，还在担体表面发生附加吸附时，不同分子从表面解吸的速度可能存在较大差异。部分样品分子会被延迟释放，从而产生峰拖尾、峰面积降低或重复性变差。

         醇、胺、有机酸、水以及其他极性或表面活性较强的化合物，通常更容易受到担体表面活性的影响。某些热稳定性较差的化合物还可能在活性表面发生分解。

         因此，担体对色谱结果的影响并不限于物理支撑。未经控制的表面作用会成为额外的保留机制，并改变原有的分离行为。

3 色谱担体的分类

担体可以按照基材和表面处理状态进行分类。这两个分类维度分别回答不同问题：

         ①基材决定孔结构、比表面积、机械性能和基本化学性质；

         ②表面处理决定杂质含量和表面活性程度。

3.1 按担体基材分类

3.1.1 硅藻土类担体

         硅藻土类担体由天然硅藻土经粉碎、筛分、煅烧或助熔煅烧等工艺制得，是气相色谱填充柱中应用较广的一类担体。

         以传统Chromosorb系列商品担体为例，常见类型包括：

         硅藻土担体的商品名称和性能并不完全等同。即使属于同一基材，不同的纯化工艺、煅烧条件和表面处理也会使比表面积、负载能力和惰性程度产生差异[4][5]。

3.1.2 聚四氟乙烯类担体

         聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）类担体具有较低的表面活性，这类担体具有较低的表面活性，可用于某些在硅质担体上容易发生明显吸附的高极性组分。

这类担体也存在相应限制，例如：

         ①某些产品的允许使用温度低于无机担体；

         ②颗粒容易产生静电；

         ③装填和转移较困难；

         ④受压后可能发生压实，改变填充床结构。

         因此，聚四氟乙烯类担体主要用于对表面惰性有较高要求的特定分析，其使用温度和装柱条件应依据具体产品资料确定[4]。

3.1.3 其他特种担体

         石墨化碳黑、多孔硅胶等材料在涂覆液体固定相后，也可以承担固体担体的作用。不过，这些材料在未涂覆状态下常作为吸附剂使用。

         判断这类材料属于“担体”还是“固体固定相”，应依据实际柱填料组成和主要保留机制，而不能仅依据材料名称。

3.2 按表面处理状态分类

         酸洗主要用于去除矿物杂质和金属离子，而硅烷化主要用于降低硅质表面活性。两种处理的作用不同，酸洗不能替代硅烷化，硅烷化也不能代替原料纯化。

担体颜色可以反映部分传统加工工艺，但不能直接代表其惰性程度。选择产品时，更适合依据基材、表面处理、粒径、比表面积和固定液负载能力等指标进行判断[4][5]。

4 如何选择合适的色谱担体

         担体选择应与分离模式、固定液、样品性质和柱条件共同考虑。较清晰的选择顺序如下。

4.1 确认色谱柱的分离模式

首先判断柱内颗粒承担什么作用。

         ①对于涂覆液体固定相的气—液填充柱，需要选择固体担体；

         ②对于装填分子筛、活性炭或多孔聚合物的气—固色谱柱，重点是选择固体固定相或吸附剂；

         ③典型开管毛细管柱不装填颗粒担体，固定相位于柱内壁或附着在内壁的多孔层上。

         填充柱适合较大进样量、部分气体分析以及规定使用填充柱的标准方法；毛细管柱通常具有较高柱效和较窄的色谱峰[3]。

4.2 根据样品性质确定表面惰性要求

         样品越容易发生吸附或表面反应，对担体惰性的要求通常越高。

         如果峰拖尾主要来源于担体表面吸附，单独更换固定液未必能够解决问题。此时还需要检查担体、柱管和进样系统中与样品接触的固体表面。

4.3 使担体表面积与固定液负载量匹配

         较大的比表面积通常可以分散较多固定液，但也可能带来更多潜在活性部位；较低的比表面积有助于减少固体表面接触，却可能限制固定液负载量和柱容量。

选择时应关注以下关系：

固定液负载量

         → 决定液层厚度和柱容量

         → 需要与担体表面积及润湿性相匹配

         → 共同影响传质速度、峰宽和表面覆盖程度

         因此，比表面积不能作为单独的优劣指标。较适宜的担体应当在目标固定液负载量下形成均匀涂层，同时保持可接受的表面惰性和传质效率。

4.4 根据柱效和压力条件选择粒径

         担体粒径通常用筛目范围表示。例如，80/100目表示颗粒能够通过80目筛，但被100目筛截留。

选择粒径时可遵循以下原则：

         ①粒径较小，通常有利于提高柱效，但柱内压降会增加；

         ②粒径较大，载气阻力较低，但传质距离和流路差异可能增大；

         ③粒径分布较窄，有利于形成均匀填充床；

         ④柱内径较小时，对颗粒均匀性和装填质量的要求相应提高。

         实际粒径还需要与柱长、柱内径、载气流量和仪器供气压力相适应。

4.5 检查机械稳定性、温度和方法要求

         担体在涂覆、干燥、装柱和运行过程中应保持颗粒结构稳定。颗粒破碎产生的细粉可能堵塞局部流路、增加压降，并暴露新的活性表面。

         色谱柱的实际温度范围由固定液、担体、柱管及连接组件共同决定。运行温度应低于各组成部分允许温度中限制较严的数值。

         对于药典、国家标准、行业标准或已经验证的方法，还应关注以下参数：担体基材；表面处理方式；粒径范围；固定液种类和负载量以及柱管尺寸和材质。

         这些参数共同决定色谱柱的保留、柱效和峰形。更换担体或改变粒径后，应通过系统适用性和方法等效性评价确认分析性能。

5 气相色谱填充柱担体及相关材料与试剂分类表

表1 担体与填充柱辅助材料

表2 担体表面处理与填料制备试剂

表3 代表性液体固定相相关材料

表4 固体吸附剂与相关填料

         注：以上为阿拉丁代表性科研相关产品，其中部分产品仅适合作为担体、固定液或吸附填料的制备原料、模型材料或辅助材料，并非经粒径、表面惰性、热稳定性和色谱性能验证的成品GC填料或GC专用固定相。是否可直接用于分析型GC填充柱，应结合产品规格、粒径与形态、表面处理、批次COA及方法验证结果确定。更多产品规格、级别和COA信息可用“品名/CAS/货号”在阿拉丁官网检索。

参考文献

[1] INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLIED CHEMISTRY. Compendium of Chemical Terminology: Gold Book. 5th ed. Terms: Solid Support, Gas-Liquid Chromatography, Gas-Solid Chromatography, 2025.

[2] VAN DEEMTER J J, ZUIDERWEG F J, KLINKENBERG A. Longitudinal diffusion and resistance to mass transfer as causes of nonideality in chromatography[J]. Chemical Engineering Science, 1956, 5(6): 271-289.

[3] SHIMADZU CORPORATION. GC Column Types & Selection Guide[EB/OL].

[4] AGILENT TECHNOLOGIES. Chromosorb—Properties of the Most Used Support Material in Packed GC[EB/OL].

[5] RESTEK CORPORATION. A Brief Description of Several Common Solid Supports for Restek GC Packed Columns[EB/OL]. 2023-11-07.

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