在大多數(shù)毛細(xì)管氣相色譜分離中都使用程序升溫，但是許多分析人員對這種方法背后的原理缺乏很好的理解。

幾乎每個氣相色譜（GC）學(xué)習(xí)者都可以看到如圖1所示的色譜圖。這些色譜圖最初發(fā)表于1959年，是第一批描述程序升溫設(shè)備的論文之一，這是在以耐火磚作為固定相的手工填充色譜柱上開發(fā)的，但這項(xiàng)工作仍顯示出當(dāng)今所見的等溫和程序升溫氣相色譜儀的相同比較和對比。從底部開始，圖1c顯示了正構(gòu)烷烴的等溫分離，可以看到隨著保留時(shí)間變長，峰變得更寬，最后一個峰似乎出現(xiàn)前沿，每個連續(xù)的烷烴之間，每個峰之間的保留時(shí)間差幾乎翻倍， C9和C10之間的差（最后兩個峰）大約是C8和C9之間的差的兩倍。

該色譜圖說明了等溫GC的主要局限性。首先，在合理時(shí)間內(nèi)可以分離的分析物范圍相對較小。其次，隨著保留時(shí)間變長，峰變得更寬（譜帶展寬），而峰變得更短且更難檢測。如果峰面積恒定，則隨著峰變寬，它必須變短，從而限制了靈敏度。第三，后面的峰的前移是由于色譜柱溫度太低而無法有效吸附在固定相的表面上。液體分析物凝結(jié)在表面上，使一些分析物更快地蒸發(fā)成流動相，因此過早洗脫，這是柱重載的一種形式。

圖1提出了兩個關(guān)鍵問題：

1.為什么在程序升溫分離中保留時(shí)間均勻地間隔開，而等溫運(yùn)行中峰間的間隔卻翻倍？

2.為什么在程序升溫分離中所有的峰都尖銳，而在等溫分離中后來的峰變得更寬？

我們將通過繪制一些簡單的色譜過程圖來解決這些問題，然后根據(jù)在GC的最初十年開發(fā)的等溫和程序升溫GC理論對它們進(jìn)行描述。

圖2：毛細(xì)管GC色譜柱中分析物分配的簡化圖。分析物分子由點(diǎn)表示。在固定相中有9個點(diǎn)，在流動相中有3個點(diǎn)，得出k = 3。

為使分析物沿著GC色譜柱移動，其在工作溫度下的蒸氣壓必須至少為幾托，該蒸氣壓受正常蒸氣壓以及與固定相相互作用產(chǎn)生的任何變化的影響。圖2是毛細(xì)管柱內(nèi)部的簡化圖，分析物分子表示為點(diǎn)。該化合物在固定相中有9個點(diǎn)，在流動相中有3個點(diǎn)，保留因子（k）為3。k值越高，表示固定點(diǎn)中會有更多的點(diǎn)，即更大的分析物質(zhì)量相，導(dǎo)致分析物保留時(shí)間更長。載氣迫使流動相中的三個點(diǎn)沿色譜柱移動。當(dāng)它們遇到新鮮的固定相時(shí)，它們對固定相的吸引力和低（但有限）的蒸氣壓使它們凝結(jié)并溶解在固定相的這個新區(qū)域中。在等溫氣相色譜中，流動相和固定相之間分配過程的熱力學(xué)由分析物從固定相到流動相的汽化焓（熱量含量的變化）控制。對于圖1中所示的烷烴，隨著每個-CH2-單元添加到碳鏈上，汽化的焓線性增加。通過與焓和溫度相關(guān)的吉布斯方程，這導(dǎo)致K和k呈指數(shù)增長，從而導(dǎo)致保留時(shí)間呈指數(shù)增長。

圖3：在程序升溫氣相色譜中，區(qū)域遷移速率的階躍函數(shù)近似值。
 

圖3中，指數(shù)曲線描述了隨著柱溫的升高區(qū)域或峰遷移的速率， 該指數(shù)曲線類似于蒸氣壓力曲線，此外，由于載氣從較高的壓力行進(jìn)時(shí)會發(fā)生膨脹，因此分析物沿色譜柱的加速度比僅由蒸氣壓力預(yù)測的加速度要快。在色譜柱入口處降低到出口處的較低壓力。這表明，隨著色譜柱溫度的升高，峰同時(shí)沿色譜柱行進(jìn)時(shí)會加速，因?yàn)樗恼魵鈮涸黾硬⑶逸d氣在色譜柱內(nèi)從進(jìn)口流向出口時(shí)會發(fā)生膨脹。

在不分流進(jìn)樣中，一旦樣品到達(dá)色譜柱，就會有兩種峰聚焦機(jī)制在起作用：溶劑效應(yīng)和熱聚焦或“冷阱”，兩者如何結(jié)合溫度編程工作以生成尖峰。首先，假設(shè)不分流進(jìn)樣與溫度程序結(jié)合使用，該程序的溫度遠(yuǎn)低于樣品溶劑的沸點(diǎn)，甚至遠(yuǎn)低于分析物的沸點(diǎn)。例如，如果使用正常沸點(diǎn)為68°C己烷作為溶劑，溫度程序從40°C開始，當(dāng)樣品和溶劑轉(zhuǎn)移到色譜柱中時(shí)，較低的初始色譜柱溫度會導(dǎo)致溶劑在色譜柱頂部凝結(jié)為長的液體塞。對于固定相，沸點(diǎn)較高或親和力強(qiáng)的分析物將被固定相強(qiáng)烈保留，這是冷阱；沸點(diǎn)較低或與溶劑的親和力更高的分析物將首先保留在溶劑塞中，然后隨著溶劑蒸發(fā)，在固定相上保留為窄的初始譜帶，這是溶劑作用。

無論是通過溶劑效應(yīng)還是通過冷阱重新聚焦峰，階躍近似都適用于不分流進(jìn)樣。在初始吹掃時(shí)間中，隨著不分流進(jìn)樣過程的進(jìn)行，所有峰都會加寬，峰寬由吹掃時(shí)間的長度決定，較低的初始柱溫可有效地將分析物在柱頭冷凝成窄帶。隨著色譜柱的加熱，分析物開始逐一向下移動，這取決于它們從固定相到流動相的汽化熱。除了在分離的早期階段通過溶劑塞的蒸發(fā)使初始條帶聚焦外，該過程對于溶劑的作用是相似的。例如，對兩種分析物進(jìn)行說明，一種保留時(shí)間為12分鐘，另一種保留時(shí)間為18分鐘。當(dāng)?shù)谝环N分析物在12分鐘后洗脫時(shí)，第二種分析物將經(jīng)過大約色譜柱長度的1/4。在剩下的6分鐘內(nèi)，它將移動色譜柱的最后3/4。如上所述，通過冷阱或溶劑效應(yīng)進(jìn)行重新聚焦的過程，再進(jìn)行溫度編程，可以使不分流進(jìn)樣中的所有峰保持清晰。

程序升溫氣相色譜已經(jīng)普遍使用了大約六十年，并且仍然是可用的強(qiáng)大，但易于使用的高分辨率分離方法之一。但是，許多氣相色譜理論是在假定等溫條件下開發(fā)的，并繼續(xù)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行討論。程序升溫氣相色譜的理論要比等溫氣相色譜復(fù)雜得多，但仍然基于相同的基本熱力學(xué)和動力學(xué)原理。在程序升溫氣相色譜中，保留時(shí)間與汽化焓線性相關(guān)，而在等溫氣相色譜中，該關(guān)系呈指數(shù)關(guān)系。結(jié)合色譜柱的高溫穩(wěn)定性，這使得一次即可分離多種分析物?；跍囟瘸绦蜻M(jìn)行時(shí)沿色譜柱的遷移速率的加速，溫度程序步長近似值提供了一種簡單的方法，用于理解溫度編程的GC中的峰在整個運(yùn)行過程中如何保持尖銳。這些原理使程序升溫毛細(xì)管GC仍然是當(dāng)今可用的強(qiáng)大的色譜分離技術(shù)。