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(duì)這種方法背后的原理缺乏很好的理解。

幾乎每個(gè)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(kāi)發(fā)的，但這項(xiàng)工作仍顯示出當(dāng)今所見(jiàn)的等溫和程序升溫氣相色譜儀的相同比較和對(duì)比。從底部開(kāi)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(zhǎng)，峰變得更寬，最后一個(gè)峰似乎出現(xiàn)前沿，每個(gè)連續(xù)的烷烴之間，每個(gè)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(gè)峰）大約是C8和C9之間的差的兩倍。

該色譜圖說(shuō)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(duì)較小。其次，隨著保留時(shí)間變長(zhǎng)，峰變得更寬（譜帶展寬），而峰變得更短且更難檢測(cè)。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(wú)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(dòng)相，因此過(guò)早洗脫，這是柱重載的一種形式。

圖1提出了兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：

1.為什么在程序升溫分離中保留時(shí)間均勻地間隔開(kāi)，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(lái)的峰變得更寬？

我們將通過(guò)繪制一些簡(jiǎn)單的色譜過(guò)程圖來(lái)解決這些問(wèn)題，然后根據(jù)在GC的最初十年開(kāi)發(fā)的等溫和程序升溫GC理論對(duì)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(jiǎn)化圖。分析物分子由點(diǎn)表示。在固定相中有9個(gè)點(diǎn)，在流動(dòng)相中有3個(gè)點(diǎn)，得出k = 3。

為使分析物沿著GC色譜柱移動(dòng)，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(jiǎn)化圖，分析物分子表示為點(diǎn)。該化合物在固定相中有9個(gè)點(diǎn)，在流動(dòng)相中有3個(gè)點(diǎn)，保留因子（k）為3。k值越高，表示固定點(diǎn)中會(huì)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(zhǎng)。載氣迫使流動(dòng)相中的三個(gè)點(diǎn)沿色譜柱移動(dòng)。當(dāng)它們遇到新鮮的固定相時(shí)，它們對(duì)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(gè)新區(qū)域中。在等溫氣相色譜中，流動(dòng)相和固定相之間分配過(guò)程的熱力學(xué)由分析物從固定相到流動(dòng)相的汽化焓（熱量含量的變化）控制。對(duì)于圖1中所示的烷烴，隨著每個(gè)-CH2-單元添加到碳鏈上，汽化的焓線(xiàn)性增加。通過(guò)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(zhǎng)，從而導(dǎo)致保留時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)。

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(xiàn)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(xiàn)類(lèi)似于蒸氣壓力曲線(xiàn)，此外，由于載氣從較高的壓力行進(jìn)時(shí)會(huì)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(cè)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(huì)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(huì)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(huì)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(kāi)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(huì)導(dǎo)致溶劑在色譜柱頂部凝結(jié)為長(zhǎng)的液體塞。對(duì)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(wú)論是通過(guò)溶劑效應(yīng)還是通過(guò)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(guò)程的進(jìn)行，所有峰都會(huì)加寬，峰寬由吹掃時(shí)間的長(zhǎng)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(kāi)始逐一向下移動(dòng)，這取決于它們從固定相到流動(dòng)相的汽化熱。除了在分離的早期階段通過(guò)溶劑塞的蒸發(fā)使初始條帶聚焦外，該過(guò)程對(duì)于溶劑的作用是相似的。例如，對(duì)兩種分析物進(jìn)行說(shuō)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(guò)大約色譜柱長(zhǎng)度的1/4。在剩下的6分鐘內(nèi)，它將移動(dòng)色譜柱的最后3/4。如上所述，通過(guò)冷阱或溶劑效應(yīng)進(jìn)行重新聚焦的過(guò)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(kāi)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(dòng)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(xiàn)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。基于溫度程序進(jìn)行時(shí)沿色譜柱的遷移速率的加速，溫度程序步長(zhǎng)近似值提供了一種簡(jiǎn)單的方法，用于理解溫度編程的GC中的峰在整個(gè)運(yùn)行過(guò)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)。