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對于沸點(diǎn)分布范圍寬的多組分混合物，使用恒柱溫氣相色譜法分析，其低沸點(diǎn)組分會很快流出，峰形窄且易重疊，而高沸點(diǎn)組分則流出很慢，且峰形扁平且拖尾，因此分析結(jié)果既不利于定量測定，又拖延了分析時(shí)間。若使用程序升溫氣相色譜法，使色譜柱溫度從低溫(如50℃)開始，按一定升溫速率(如5～10℃/min)升溫，柱溫呈線性增加，直至終止溫度(如200℃)，就會使混合物中的每個(gè)組分都在*柱溫(保留溫度)下流出。此時(shí)低沸物和高沸物都可在較佳分離度下流出，它們的峰形寬窄相近(即有相接近的柱效)，并縮短了總分析時(shí)間。
程序升溫氣相色譜特別適用于氣固色譜、痕量組分分析和制備色譜。
圖1表示程序升溫常用的兩種方式，即單階或多階線性程序升溫操作。表1 為恒溫和程序升溫氣相色譜分析方法的比較。
圖1 程序升溫的方式
表1 恒溫和程序升溫氣相色譜方法的比較
(一)基本原理
主要介紹保留溫度、初期凍結(jié)、有效柱溫及選擇操作條件的依據(jù)。
1.保留溫度
在程序升溫氣相色譜分析中，每種溶質(zhì)從色譜柱流出時(shí)的柱溫，稱該組分的保留溫度TR，對線性程序升溫可按下式計(jì)算：
TR=To+rtR (8-34)
式中，T0為初始溫度;r為升溫速率，℃/min; tR為組分的保留時(shí)間。
在PTGC中組分達(dá)保留溫度時(shí)的保留體積Vp為
式中，F(xiàn)為載氣流速，mL/min。
在線性PTGC中，TR和tR的關(guān)系如圖2所示。在線性程序升溫中的Kovats保留指數(shù)IPT為
式中，n為碳數(shù)，TR(x)、TR(n)、TR(n+1)為被測組分x和碳數(shù)分別為n和n+1的正構(gòu)烷烴的保留溫度。
圖2 線性程序升溫中溫度-時(shí)間圖
2.初期凍結(jié)
在PTGC分析中，進(jìn)樣后因柱的起始溫度很低，僅可對低沸物進(jìn)行分離，其余大多數(shù)組分因在低柱溫蒸氣壓低，大都溶解在固定相中，其蒸氣帶在柱中移動得非常慢，幾乎停留在柱入口處不移動，即凝聚在柱頭，此為PTGC所*的現(xiàn)象，被稱作初期凍結(jié)。
程序升溫開始后，樣品中不同沸點(diǎn)的組分隨柱溫升高而迅速氣化，樣品的蒸氣帶在柱中迅速移動，柱溫愈接近組分的保留溫度，其在柱中移動得愈快，當(dāng)達(dá)到保留溫度TR時(shí)即從柱中逸出。通過物理化學(xué)計(jì)算可知，柱溫升高30℃，溶質(zhì)在氣相的蒸氣壓會增加1倍，其在色譜柱中的移動速度也增加1倍。在程序升溫過程中，樣品組分在色譜柱中移動的位置與保留溫度的關(guān)系如圖3所示。
圖3 組分在程序升溫柱中移動位置與柱溫關(guān)系圖
由上述可知，程序升溫的重要特點(diǎn)是：樣品中的每個(gè)組分，進(jìn)樣后在未達(dá)到適宜的流出溫度之前，主要凍結(jié)、凝聚在色譜柱入口處，當(dāng)柱溫升高至TR-30℃時(shí)，移動至色譜柱一半的位置，直至柱溫達(dá)到適于逸出的有效溫度，才迅速從柱中流出。
3.有效柱溫
有效柱溫T'是能獲得一定理論塔板數(shù)和分離度的特征溫度，對兩個(gè)難分離的組分，它是實(shí)現(xiàn)分離的*恒溫溫度，在此恒定溫度下兩難分離組分的分離可達(dá)到與程序升溫操作時(shí)同樣的柱效和分離度。有效柱溫T'可按下式計(jì)算：
T'=0.92 TR
此式表明有效柱溫T'和保留溫度TR的關(guān)聯(lián)，用此式可由恒溫分離的*柱溫，即相當(dāng)于T'來預(yù)測程序升溫的保留溫度TR。
4.程序升溫的操作參數(shù)
由程序升溫的保留體積可推導(dǎo)出，在程序升溫過程中，任何溶質(zhì)在確定色譜柱上的保留溫度僅依賴于r/F的比值，而與程序升溫的初始溫度T0和終止溫度TF無關(guān)，當(dāng)r/F比值等于1時(shí)，對應(yīng)的柱溫即為各個(gè)組分的保留溫度TR，如圖4所示。
圖4 r/F-Tc關(guān)系圖
在程序升溫過程中兩個(gè)相鄰難分離組分的真正分離度Ri(定義見后)與r/F比值呈反比，如圖5 所示。
圖5 Ri-r/F關(guān)系圖 3,4,5,6為不同碳數(shù)的烷烴
由上述可知，在程序升溫色譜分析中，當(dāng)色譜柱確定后，升溫速率r和載氣流速F是影響保留溫度和分離度的主要操作參數(shù)。
程序升溫操作時(shí)，采用低的升溫速率可獲高分離度、長的分析時(shí)間和低的檢測靈敏度。若用高的升溫速率，通常對保留值大的高沸點(diǎn)組分影響大，可減少分析時(shí)間、提高檢測靈敏度。
當(dāng)使用填充柱時(shí)，常用較大流速的載氣(40mL/min)，此時(shí)應(yīng)選擇較高的升溫速率，以保持r/F比值不變。當(dāng)使用毛細(xì)管柱時(shí)，因在低流速(1mL/min)載氣下操作，r/F比值主要由r進(jìn)行調(diào)整。
(二)操作條件的選擇
1.柱效的評價(jià)
2.真正分離度
3.操作條件的選擇
PTGC中的操作條件為升溫方式、初始溫度、終止溫度、升溫速率、載氣流速、柱長等。
影響分離的主要因素是升溫速率和載氣流速。
(1)升溫方式對沸點(diǎn)范圍寬的同系物多采用單階線性升溫。如樣品中含多種不同類型的化合物，可使用多階程序升溫?，F(xiàn)在性能完備的氣相色譜儀可實(shí)現(xiàn)3～8階程序升溫。
(2)初始溫度通常以樣品中易揮發(fā)組分的沸點(diǎn)附近來確定初始溫度。若選得太低會延長分析時(shí)間，若選得太高會降低低沸點(diǎn)組分的分離度。一般通用儀器，低的T0就是室溫，也可通入液氮降至更低溫度的T0。此外還應(yīng)根據(jù)樣品中低沸點(diǎn)組分的含量來決定初始溫度保持時(shí)間的長短，以保證它們的*分離。
(3)終止溫度它是由樣品中高沸點(diǎn)組分的保留溫度和固定液的高使用溫度決定的。如果固定液的高使用溫度大于樣品中組分的高沸點(diǎn)，可選稍高于組分的高沸點(diǎn)的溫度作為終止溫度，此時(shí)終止溫度僅保持較短時(shí)間就可結(jié)束分析。若相反，就選用稍低于固定液的高使用溫度作為終止溫度，并維持較長時(shí)間，以使高沸點(diǎn)組分在此恒溫條件下*洗脫出來。
(4)升溫速率在PTGC中升溫速率r起到和恒溫色譜中柱溫Tc的同樣作用，選擇時(shí)要兼顧分離度和分析時(shí)間兩個(gè)方面。當(dāng)r值較低時(shí)，會增大分離度，但會使高沸物的分析時(shí)間延長、峰形加寬、柱效降低。當(dāng)r值較高時(shí)，會縮短分析時(shí)間，但又會使分離度下降。對內(nèi)徑3～5mm、長2～3m的填充柱，r以3～10℃/min為宜。對內(nèi)徑0.25 mm、長25～50m的毛細(xì)管柱，r以0.5～5℃/min為宜。
(5)載氣流速使用填充柱時(shí)，載氣流速應(yīng)使其對應(yīng)的線速等于或高于范第姆特曲線中的*線速，并使載氣流速F的變化與升溫速率r的變化相適應(yīng)，以在程序升溫過程保持r/F的比值不變。當(dāng)使用毛細(xì)管柱時(shí)，所用載氣線速應(yīng)大于范第姆特曲線中的*實(shí)用線速，這樣可忽略隨程序升溫引起載氣線速下降而產(chǎn)生的不利影響。
(三)程序升溫氣相色譜法的應(yīng)用范圍
根據(jù)程序升溫方法的特點(diǎn)，特別適用于以下情況的氣相色譜分析。
(1)寬沸程樣品的分離如石油餾分的分析，多碳醇的分析，多碳脂肪酸酯類的分析，復(fù)雜天然產(chǎn)物(香精油、食品香料)的分析等。
(2)氣固色譜分析在氣固色譜分析中的兩個(gè)明顯缺陷—由于非物理吸附造成峰形的嚴(yán)重拖尾和由于溶質(zhì)的吸附系數(shù)太大而延長了分析時(shí)間，都可通過采用PTGC而獲得明顯的改善。
(3)制備氣相色譜利用樣品的初期凍結(jié)現(xiàn)象，通過程序升溫而獲流出時(shí)間適中和峰形對稱的窄峰，有利于分別收集各個(gè)組分的純品。
(4)痕量組分分析在低的初始溫度可重復(fù)多次進(jìn)樣，并在低初始溫度下使溶劑迅速流出，而高沸點(diǎn)的痕量雜質(zhì)可凍結(jié)在柱頭，當(dāng)濃縮至一定數(shù)量后，再進(jìn)行程序升溫，使高沸點(diǎn)雜質(zhì)流出以提高檢測靈敏度。
使用程序升溫技術(shù)確有許多優(yōu)點(diǎn)，但對難分離的組分使用程序升溫技術(shù)并不是有效的手段，此時(shí)仍應(yīng)從固定液的選擇和優(yōu)化操作條件上來解決分離問題。
后要指出，PTGC分析的重現(xiàn)性必須很好，否則就難于進(jìn)行定量分析了。
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