為什麽GC程序升溫峰如此尖銳？

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後的原理缺乏很好的理解。

幾乎每個(ge) 氣相色譜（GC）學習(xi) 者都可以看到如圖1所示的色譜圖。這些色譜圖最初發表於(yu) 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(wei) 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(yi) 的相同比較和對比。從(cong) 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，最後一個(ge) 峰似乎出現前沿，每個(ge) 連續的烷烴之間，每個(ge) 峰之間的保留時間差幾乎翻倍， C9和C10之間的差（最後兩(liang) 個(ge) 峰）大約是C8和C9之間的差的兩(liang) 倍。

該色譜圖說明了等溫GC的主要局限性。首先，在合理時間內(nei) 可以分離的分析物範圍相對較小。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。如果峰麵積恒定，則隨著峰變寬，它必須變短，從(cong) 而限製了靈敏度。第三，後麵的峰的前移是由於(yu) 色譜柱溫度太低而無法有效吸附在固定相的表麵上。液體(ti) 分析物凝結在表麵上，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(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵問題：

1.為(wei) 什麽(me) 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(wei) 什麽(me) 在程序升溫分離中所有的峰都尖銳，而在等溫分離中後來的峰變得更寬？

我們(men) 將通過繪製一些簡單的色譜過程圖來解決(jue) 這些問題，然後根據在GC的最初十年開發的等溫和程序升溫GC理論對它們(men) 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(ge) 點，在流動相中有3個(ge) 點，得出k = 3。

為(wei) 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(wei) 幾托，該蒸氣壓受正常蒸氣壓以及與(yu) 固定相相互作用產(chan) 生的任何變化的影響。圖2是毛細管柱內(nei) 部的簡化圖，分析物分子表示為(wei) 點。該化合物在固定相中有9個(ge) 點，在流動相中有3個(ge) 點，保留因子（k）為(wei) 3。k值越高，表示固定點中會(hui) 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(ge) 點沿色譜柱移動。當它們(men) 遇到新鮮的固定相時，它們(men) 對固定相的吸引力和低（但有限）的蒸氣壓使它們(men) 凝結並溶解在固定相的這個(ge) 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(cong) 固定相到流動相的汽化焓（熱量含量的變化）控製。對於(yu) 圖1中所示的烷烴，隨著每個(ge) -CH2-單元添加到碳鏈上，汽化的焓線性增加。通過與(yu) 焓和溫度相關(guan) 的吉布斯方程，這導致K和k呈指數增長，從(cong) 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， 該指數曲線類似於(yu) 蒸氣壓力曲線，此外，由於(yu) 載氣從(cong) 較高的壓力行進時會(hui) 發生膨脹，因此分析物沿色譜柱的加速度比僅(jin) 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(hui) 加速，因為(wei) 它的蒸氣壓增加並且載氣在色譜柱內(nei) 從(cong) 進口流向出口時會(hui) 發生膨脹。

在不分流進樣中，一旦樣品到達色譜柱，就會(hui) 有兩(liang) 種峰聚焦機製在起作用：溶劑效應和熱聚焦或“冷阱”，兩(liang) 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(yu) 溫度程序結合使用，該程序的溫度遠低於(yu) 樣品溶劑的沸點，甚至遠低於(yu) 分析物的沸點。例如，如果使用正常沸點為(wei) 68°C己烷作為(wei) 溶劑，溫度程序從(cong) 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(hui) 導致溶劑在色譜柱頂部凝結為(wei) 長的液體(ti) 塞。對於(yu) 固定相，沸點較高或親(qin) 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(yu) 溶劑的親(qin) 和力更高的分析物將首先保留在溶劑塞中，然後隨著溶劑蒸發，在固定相上保留為(wei) 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，階躍近似都適用於(yu) 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(hui) 加寬，峰寬由吹掃時間的長度決(jue) 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(jue) 於(yu) 它們(men) 從(cong) 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，該過程對於(yu) 溶劑的作用是相似的。例如，對兩(liang) 種分析物進行說明，一種保留時間為(wei) 12分鍾，另一種保留時間為(wei) 18分鍾。當第一種分析物在12分鍾後洗脫時，第二種分析物將經過大約色譜柱長度的1/4。在剩下的6分鍾內(nei) ，它將移動色譜柱的最後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，並且仍然是可用的強大，但易於(yu) 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，並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複雜得多，但仍然基於(yu) 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(yu) 汽化焓線性相關(guan) ，而在等溫氣相色譜中，該關(guan) 係呈指數關(guan) 係。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。基於(yu) 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，用於(yu) 理解溫度編程的GC中的峰在整個(ge) 運行過程中如何保持尖銳。這些原理使程序升溫毛細管GC仍然是當今可用的強大的色譜分離技術。