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在大多数毛细管气相色谱分离中都使用程序升温，但是许多分析人员对这种方法背后的原理缺乏很好的理解。
几乎每个气相色谱（GC）学习者都可以看到如图1所示的色谱图。这些色谱图最初发表于1959年，是第一批描述程序升温设备的论文之一，这是在以耐火砖作为固定相的手工填充色谱柱上开发的，但这项工作仍显示出当今所见的等温和程序升温气相色谱仪的相同比较和对比。从底部开始，图1c显示了正构烷烃的等温分离，可以看到随着保留时间变长，峰变得更宽，最后一个峰似乎出现前沿，每个连续的烷烃之间，每个峰之间的保留时间差几乎翻倍， C9和C10之间的差（最后两个峰）大约是C8和C9之间的差的两倍。
图1：C5-C10烷烃混合物的程序升温和等温色谱图。（a）中的温度程序从40°C开始,30°C/min，（b）中的温度程序从40°C开始，5°C/min，（c）75°C等温。
图1b显示了相同正构烷烃混合物的程序升温分离，程序升温速率为每分钟5°C，图1a显示了同样的分离过程，升温速率为每分钟30°C。注意与等温分离的显着差异。首先，运行时间分别从30分钟减少到10分钟和5分钟。第二，峰的间距均匀。每个连续的烷烃之间的保留时间差大致相同。最后，所有的峰都更加陡峭（这是一个手工填充的色谱柱）。它们看起来具有大约相同的峰宽，因此所有峰均具有大约相同的峰高，而等温峰变得更宽和更短。
该色谱图说明了等温GC的主要局限性。首先，在合理时间内可以分离的分析物范围相对较小。其次，随着保留时间变长，峰变得更宽（谱带展宽），而峰变得更短且更难检测。如果峰面积恒定，则随着峰变宽，它必须变短，从而限制了灵敏度。第三，后面的峰的前移是由于色谱柱温度太低而无法有效吸附在固定相的表面上。液体分析物凝结在表面上，使一些分析物更快地蒸发成流动相，因此过早洗脱，这是柱重载的一种形式。
图1提出了两个关键问题：
1.为什么在程序升温分离中保留时间均匀地间隔开，而等温运行中峰间的间隔却翻倍？
2.为什么在程序升温分离中所有的峰都尖锐，而在等温分离中后来的峰变得更宽？
我们将通过绘制一些简单的色谱过程图来解决这些问题，然后根据在GC的最初十年开发的等温和程序升温GC理论对它们进行描述。
图2：毛细管GC色谱柱中分析物分配的简化图。分析物分子由点表示。在固定相中有9个点，在流动相中有3个点，得出k = 3。
为使分析物沿着GC色谱柱移动，其在工作温度下的蒸气压必须至少为几托，该蒸气压受正常蒸气压以及与固定相相互作用产生的任何变化的影响。图2是毛细管柱内部的简化图，分析物分子表示为点。该化合物在固定相中有9个点，在流动相中有3个点，保留因子（k）为3。k值越高，表示固定点中会有更多的点，即更大的分析物质量相，导致分析物保留时间更长。载气迫使流动相中的三个点沿色谱柱移动。当它们遇到新鲜的固定相时，它们对固定相的吸引力和低（但有限）的蒸气压使它们凝结并溶解在固定相的这个新区域中。在等温气相色谱中，流动相和固定相之间分配过程的热力学由分析物从固定相到流动相的汽化焓（热量含量的变化）控制。对于图1中所示的烷烃，随着每个-CH2-单元添加到碳链上，汽化的焓线性增加。通过与焓和温度相关的吉布斯方程，这导致K和k呈指数增长，从而导致保留时间呈指数增长。
图3：在程序升温气相色谱中，区域迁移速率的阶跃函数近似值
图3中，指数曲线描述了随着柱温的升高区域或峰迁移的速率， 该指数曲线类似于蒸气压力曲线，此外，由于载气从较高的压力行进时会发生膨胀，因此分析物沿色谱柱的加速度比仅由蒸气压力预测的加速度要快。在色谱柱入口处降低到出口处的较低压力。这表明，随着色谱柱温度的升高，峰同时沿色谱柱行进时会加速，因为它的蒸气压增加并且载气在色谱柱内从进口流向出口时会发生膨胀。
在不分流进样中，一旦样品到达色谱柱，就会有两种峰聚焦机制在起作用：溶剂效应和热聚焦或“冷阱”，两者如何结合温度编程工作以生成尖峰。首先，假设不分流进样与温度程序结合使用，该程序的温度远低于样品溶剂的沸点，甚至远低于分析物的沸点。例如，如果使用正常沸点为68°C己烷作为溶剂，温度程序从40°C开始，当样品和溶剂转移到色谱柱中时，较低的初始色谱柱温度会导致溶剂在色谱柱顶部凝结为长的液体塞。对于固定相，沸点较高或亲和力强的分析物将被固定相强烈保留，这是冷阱；沸点较低或与溶剂的亲和力更高的分析物将首先保留在溶剂塞中，然后随着溶剂蒸发，在固定相上保留为窄的初始谱带，这是溶剂作用。
无论是通过溶剂效应还是通过冷阱重新聚焦峰，阶跃近似都适用于不分流进样。在初始吹扫时间中，随着不分流进样过程的进行，所有峰都会加宽，峰宽由吹扫时间的长度决定，较低的初始柱温可有效地将分析物在柱头冷凝成窄带。随着色谱柱的加热，分析物开始逐一向下移动，这取决于它们从固定相到流动相的汽化热。除了在分离的早期阶段通过溶剂塞的蒸发使初始条带聚焦外，该过程对于溶剂的作用是相似的。例如，对两种分析物进行说明，一种保留时间为12分钟，另一种保留时间为18分钟。当第一种分析物在12分钟后洗脱时，第二种分析物将经过大约色谱柱长度的1/4。在剩下的6分钟内，它将移动色谱柱的最后3/4。如上所述，通过冷阱或溶剂效应进行重新聚焦的过程，再进行温度编程，可以使不分流进样中的所有峰保持清晰。
程序升温气相色谱已经普遍使用了大约六十年，并且仍然是可用的最强大，但易于使用的高分辨率分离方法之一。但是，许多气相色谱理论是在假定等温条件下开发的，并继续在此基础上进行讨论。程序升温气相色谱的理论要比等温气相色谱复杂得多，但仍然基于相同的基本热力学和动力学原理。在程序升温气相色谱中，保留时间与汽化焓线性相关，而在等温气相色谱中，该关系呈指数关系。结合色谱柱的高温稳定性，这使得一次即可分离多种分析物。基于温度程序进行时沿色谱柱的迁移速率的加速，温度程序步长近似值提供了一种简单的方法，用于理解温度编程的GC中的峰在整个运行过程中如何保持尖锐。这些原理使程序升温毛细管GC仍然是当今可用的最强大的色谱分离技术。
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