在大多數毛細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）學習者都可以看到如圖1所示的色譜圖。這些色譜圖最初發表于1959年，是第一批描述程序升溫設備的論文之一，這是在以耐火磚作為固定相的手工填充色譜柱上開發的，但這項工作仍顯示出當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顯示了正構烷烴的等溫分離，可以看到隨著保留時間變長，峰變得更寬，最后一個峰似乎出現前沿，每個連續的烷烴之間，每個峰之間的保留時間差幾乎翻倍， 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。

圖1：C5-C10烷烴混合物的程序升溫和等溫色譜圖。（a）中的溫度程序從40°C開始,30°C/min，（b）中的溫度程序從40°C開始，5°C/min，（c）75°C等溫。

圖1b顯示了相同正構烷烴混合物的程序升溫分離，程序升溫速率為每分鐘5°C，圖1a顯示了同樣的分離過程，升溫速率為每分鐘30°C。注意與等溫分離的顯著差異。首先，運行時間分別從30分鐘減少到10分鐘和5分鐘。第二，峰的間距均勻。每個連續的烷烴之間的保留時間差大致相同。最后，所有的峰都更加陡峭（這是一個手工填充的色譜柱）。它們看起來具有大約相同的峰寬，因此所有峰均具有大約相同的峰高，而等溫峰變得更寬和更短。

該色譜圖說明了等溫GC的主要局限性。首先，在合理時間內可以分離的分析物范圍相對較小。其次，隨著保留時間變長，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。液體分析物凝結在表面上，使一些分析物更快地蒸發成流動相，因此過早洗脫，這是柱重載的一種形式。

圖1提出了兩個關鍵問題：

1.為什么在程序升溫分離中保留時間均勻地間隔開，而等溫運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，然后根據在GC的最初十年開發的等溫和程序升溫GC理論對它們進行描述。

圖2：毛細管GC色譜柱中分析物分配的簡化圖。分析物分子由點表示。在固定相中有9個點，在流動相中有3個點，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生的任何變化的影響。圖2是毛細管柱內部的簡化圖，分析物分子表示為點。該化合物在固定相中有9個點，在流動相中有3個點，保留因子（k）為3。k值越高，表示固定點中會有更多的點，即更大的分析物質量相，導致分析物保留時間更長。載氣迫使流動相中的三個點沿色譜柱移動。當它們遇到新鮮的固定相時，它們對固定相的吸引力和低（但有限）的蒸氣壓使它們凝結并溶解在固定相的這個新區域中。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的吉布斯方程，這導致K和k呈指數增長，從而導致保留時間呈指數增長。

圖3：在程序升溫氣相色譜中，區域遷移速率的階躍函數近似值。

圖3中，指數曲線描述了隨著柱溫的升高區域或峰遷移的速率， 該指數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時會發生膨脹，因此分析物沿色譜柱的加速度比僅由蒸氣壓力預測的加速度要快。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，峰同時沿色譜柱行進時會加速，因為它的蒸氣壓增加并且載氣在色譜柱內從進口流向出口時會發生膨脹。

在不分流進樣中，一旦樣品到達色譜柱，就會有兩種峰聚焦機制在起作用：溶劑效應和熱聚焦或“冷阱”，兩者如何結合溫度編程工作以生成尖峰。首先，假設不分流進樣與溫度程序結合使用，該程序的溫度遠低于樣品溶劑的沸點，甚至遠低于分析物的沸點。例如，如果使用正常沸點為68°C己烷作為溶劑，溫度程序從40°C開始，當樣品和溶劑轉移到色譜柱中時，較低的初始色譜柱溫度會導致溶劑在色譜柱頂部凝結為長的液體塞。對于固定相，沸點較高或親和力強的分析物將被固定相強烈保留，這是冷阱；沸點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，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還是通過冷阱重新聚焦峰，階躍近似都適用于不分流進樣。在初始吹掃時間中，隨著不分流進樣過程的進行，所有峰都會加寬，峰寬由吹掃時間的長度決定，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，對兩種分析物進行說明，一種保留時間為12分鐘，另一種保留時間為18分鐘。當第一種分析物在12分鐘后洗脫時，第二種分析物將經過大約色譜柱長度的1/4。在剩下的6分鐘內，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進行重新聚焦的過程，再進行溫度編程，可以使不分流進樣中的所有峰保持清晰。

程序升溫氣相色譜已經普遍使用了大約六十年，并且仍然是可用的最強大，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的，并繼續在此基礎上進行討論。程序升溫氣相色譜的理論要比等溫氣相色譜復雜得多，但仍然基于相同的基本熱力學和動力學原理。在程序升溫氣相色譜中，保留時間與汽化焓線性相關，而在等溫氣相色譜中，該關系呈指數關系。結合色譜柱的高溫穩定性，這使得一次即可分離多種分析物。基于溫度程序進行時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中的峰在整個運行過程中如何保持尖銳。這些原理使程序升溫毛細管GC仍然是當今可用的最強大的色譜分離技術。