色譜分離過程中，固定相與目標(biāo)物之間的相互作用是內(nèi)因，是主要矛盾；柱溫等外部條件是外因，是次要矛盾。但是矛盾的不同方面是會發(fā)生轉(zhuǎn)化的，在一定情況下，柱溫將對分離效果產(chǎn)生重要影響。合理優(yōu)化柱溫可以事半功倍，柱溫設(shè)置不對則導(dǎo)致分離失敗。那么，應(yīng)該如何選擇柱溫呢？分不開的時候應(yīng)該如何調(diào)整柱溫呢？
升溫？降溫？哪個更好？
一般認(rèn)為，降低柱溫對分離有利的，分不開的時候，把柱溫降低10~20℃就可以改善分離效果。這種認(rèn)識在大部分情況下是適用的。例如圖1所示，使用wax柱分離四氫呋喃（THF）、甲醇和正壬烷時，三者較為接近，降低溫度可使分離度增加，而升高溫度時分離度顯著下降。又例如圖2所示，用DNP-有機(jī)皂土混合填充柱分離苯系物時，異丙苯與鄰二甲苯是較難分離的，一般只有在70℃或更低的柱溫下實現(xiàn)分離，升高溫度將使二者的分離度顯著降低。
圖1. HP-Innowax柱分離甲醇、壬烷、四氫呋喃（THF）
圖3. DB-1701柱分離正己酸與庚酸乙酯
另一個類似的實例是HP-Innowax柱分離四氫呋喃（THF）、甲醇、乙醇、苯，見圖8a。這里表現(xiàn)出了類似的變化情況，甲醇與THF的分離度隨柱溫的升高而降低，乙醇與苯的分離度隨柱溫的升高而增大。也就是說提高溫度對分離乙醇與苯有利、降低溫度對分離甲醇與THF有利，為了都能過實現(xiàn)分離，必須要選擇適中的溫度，不能過高或者過低。為了更容易看出變化規(guī)律，仍然將保留時間隨柱溫的變化做成曲線圖，見圖8b。從圖中容易看出，THF的保留時間隨柱溫的變化比甲醇更加平緩，苯的保留時間隨柱溫的變化比乙醇更加平緩，所以在柱溫變化時也容易出現(xiàn)逐漸“追趕上”或被“追趕上”的情況。
圖7a. HP-Innowax柱分離乙酸乙酯、甲醇、丁酮
根據(jù)上面的討論總結(jié)了柱溫選擇的一些經(jīng)驗和規(guī)律。然而經(jīng)驗總是有適用范圍的，規(guī)律也會根據(jù)具體情況的不同而有不同的表現(xiàn)形式。如果不考慮實際情況，無條件的相信經(jīng)驗和規(guī)律，就成了經(jīng)驗主義、教條主義，往往是會出錯的。以上面提到的中庸思想為例，很多人在掌握之后，會想當(dāng)然的認(rèn)為任何實驗條件都是太大太小都不好、要選一個中等值最佳。雖然有很多實驗結(jié)果和規(guī)律確是如此，但也有相當(dāng)多的反例。例如圖9a所示的DB-1701柱分離正丁酸與戊酸乙酯的情況，柱溫為65℃時二者幾乎重疊，而升高或降低溫度都能使二者實現(xiàn)分離，這顯然與前面提到的“不高不低原則”不相符。圖9b顯示的保留時間隨柱溫變化曲線更加清楚的表明，這是一個高溫或者低溫都有利于分離、中等溫度反而對分離不利的體系，在60~65℃范圍內(nèi)二者幾乎是重疊的。
這個實例還顯示了另一個與一般常識不符合的現(xiàn)象，就是出峰的順序不光是色譜柱本身決定的，條件變化也能影響出峰順序。大部分情況下我們都認(rèn)為色譜柱定了不同物質(zhì)的出峰順序就不會改變了，條件不同只會影響各個峰的間隔大小、改變的只有分離度。雖然這種認(rèn)識符合大部分情況，但并不代表沒有特例。遇到這種情況就必須要以實驗結(jié)果為準(zhǔn)，不能機(jī)械的照搬經(jīng)驗和規(guī)律，只有解放思想才能做到實事求是。
上述現(xiàn)象絕非個例，圖10a、圖10b所示的wax柱分離苯乙烯與正十三烷的情況與上面的例子十分相似，都是屬于保留時間曲線交叉的情況。
圖9a. DB-1701柱分離正丁酸與戊酸乙酯
當(dāng)一個體系中涉及到多種目標(biāo)物的分離時，前面提到的各種變化趨勢混雜在一起，將使柱溫的影響變得十分復(fù)雜，甚至有些體系看起來幾乎無法實現(xiàn)分離。但實際上往往也是有規(guī)律可循的。以wax柱分離正丁醇與二甲苯混合溶劑為例，見圖11a。在很寬的溫度范圍內(nèi)，正丁醇都會與二甲苯異構(gòu)體重疊，而且不同溫度下重疊情況又各有不同。但是，將各目標(biāo)物的保留時間隨柱溫的變化作圖后，規(guī)律就比較明顯了，見圖11b。這里的變化規(guī)律與圖7b顯示的情況類似，所有目標(biāo)物的保留時間都是隨溫度的升高而縮短的，但丁醇的變化趨勢比二甲苯要更大。不同在于，二甲苯有多個異構(gòu)體，其中乙苯、對二甲苯、間二甲苯這三個不僅接近，而且它們的保留時間變化曲線幾乎是平行的；而丁醇的變化曲線明顯更陡，并且在不同溫度下與另外三條平行線分別相交。形象一點來說，就是在低溫下丁醇跑得比二甲苯的三個異構(gòu)體都要慢，于是最后出來；隨著溫度升高，丁醇表現(xiàn)出明顯的加速，依次追上并反超前面三個物質(zhì)；柱溫升高到90℃時丁醇就完全超過這三個物質(zhì)跑到最前面了。在中間溫度時，即使沒有完全重合，幾個峰也非常接近，所以不利于分離。而在較低和較高溫度時分離則比較完全。但柱溫太低導(dǎo)致分析時間很長，不太實用，所以選擇較高的溫度是比較合適的。于是，不僅這個難題能夠比較圓滿的解決，看似雜亂的實驗結(jié)果中也找出了簡單明了的規(guī)律。。
圖11a. HP-Innowax柱分離正丁醇與二甲苯異構(gòu)體
前面涉及到的體系目標(biāo)物種類較少，通過折中的思想可以比較容易的找到對不同目標(biāo)物都合適的柱溫。但是遇到更加復(fù)雜的情況時卻往往難以兼顧，因此需要調(diào)和各方面的矛盾、求同存異，程序升溫就顯得十分重要了。結(jié)合前面的兩個例子，用wax柱同時分離乙酸乙酯、甲醇、丁酮，以及仲丁醇、四氯乙烯、正丙醇、甲苯這兩組物質(zhì)。圖7顯示wax柱分離乙酸乙酯、甲醇、丁酮的最佳溫度應(yīng)該是50℃，太高則導(dǎo)致乙酸乙酯與甲醇重疊。但圖12又表明仲丁醇、四氯乙烯、正丙醇、甲苯這一組物質(zhì)是不能在柱溫較低的條件下進(jìn)行分離的，柱溫低于60℃時仲丁醇與四氯乙烯會發(fā)生重疊，在60~65℃范圍內(nèi)才有較好的分離效果。這兩組物質(zhì)需要同時測定時，只能先在較低柱溫下實現(xiàn)乙酸乙酯、甲醇、丁酮三者的分離，然后迅速升溫到適合分離仲丁醇、四氯乙烯、正丙醇、甲苯的溫度，如圖13所示。而且，在升溫程序設(shè)置時要充分考慮低溫段對后一組4種物質(zhì)的不利影響。如果柱溫在50℃時停留時間較長，則仲丁醇、四氯乙烯、正丙醇、甲苯在色譜柱中移動過程的大部分時間都處于不利分離的溫度，即使后期升溫，在適宜溫度下停留的時間也較短，不能實現(xiàn)分離。因此程序設(shè)置時采用快速升溫，并且要升溫到比最佳溫度略高，這樣來部分抵消低溫的不利影響。圖13還證明，如果采用低速升溫，在低溫段停留的時間較長，反而對分離不利。
圖13 HP-Innowax柱分離乙酸乙酯、甲醇、丁酮、仲丁醇、四氯乙烯、正丙醇、甲苯
以上討論了多種特殊情況，有些看似特例或者無規(guī)可尋，似乎只有靠大量的實驗總結(jié)經(jīng)驗才能了解，并且有了某一方面的經(jīng)驗卻又難以用在其他體系中。但氣相色譜畢竟不是口耳相傳的民間手藝，而是一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)方法，所以一切經(jīng)驗與特例都是不矛盾的，都可以用科學(xué)的理論加以概括和解釋，并且能通過科學(xué)理論進(jìn)行合理的預(yù)測。
氣相色譜分析中如果色譜柱的柱效為n，需分離的兩個目標(biāo)物的容量因子分別為k1、k2（k1＜k2），那么分其離度Rs的基本公式如下：
*柱效越高（n越大）對分離越有利；
*選擇因子k2/k1越大（（1-k1/k2越大）對分離越有利；
*容量因子k越大（k/(1+k)越大）對分離越有利。
其中柱效n主要由色譜柱和儀器硬件決定，這里不進(jìn)行討論。容量因子k是溫度的函數(shù)，這是柱溫影響分離的根本原因。
圖15a是通過數(shù)值計算模擬的選擇因子k2/k1變化時對分離度Rs的影響，圖15b是通過數(shù)值計算模擬的容量因子k變化時對分離度Rs的影響。從圖15a可以看出，選擇因子k2/k1的增加對分離度的提升非常顯著；而圖15b表明，容量因子k的變化對分離度影響較小，只在k很小的時候才會使分離度顯著降低。以上這兩種變化趨勢是我們討論分離度的基礎(chǔ)。
圖15a 選擇因子k2/k1變化時對分離度Rs的影響
圖15a表明，任何情況下選擇因子k2/k1的變化都顯著影響分離度。雖然任何物質(zhì)的k值都隨溫度的升高而減小，但不同物質(zhì)減小的幅度有差異，其結(jié)果就導(dǎo)致k2/k1的變化并不具有確定的趨勢。如果k1減小較慢、k2減小較快，就表現(xiàn)為選擇因子k2/k1隨溫度升高而減小，后一種物質(zhì)追上前一種物質(zhì)，就是圖1、圖2表現(xiàn)出的情況。如果k1減小較快、k2減小較慢，就表現(xiàn)為選擇因子k2/k1隨溫度升高而增大，后一種物質(zhì)與前一種物質(zhì)的差距拉大，就是圖3、圖4表現(xiàn)出的情況。當(dāng)前后兩種物質(zhì)的變化趨勢差異較大的時候，就容易發(fā)生相交的情況，表現(xiàn)為出峰的順序發(fā)生變化，這就是圖9、圖10表現(xiàn)出的情況。
需要說明的是，前面討論時都是用保留時間tR作圖，而這里是以容量因子k進(jìn)行討論。但由于tR = (1+k) * tm（其中tm是死時間，為固定值），因此二者的變化趨勢是基本一致的。
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接下來我們要討論為什么k會隨溫度變化？為什么不同物質(zhì)的k值隨溫度變化的快慢會有差異？
容量因子k又稱作分配比，其物理意義是待測物在固定相與流動相這二者之間分配的比例。k較大就代表目標(biāo)物在固定相中分配得較多，或者可以理解為目標(biāo)物與固定相的親和力強(qiáng)；反之同理，k較小就代表目標(biāo)物在固定相中分配得較少，或者可以理解為目標(biāo)物與固定相的親和力弱。k的大小一方面由色譜柱的“相比”決定，但這方面的影響只與色譜柱的型號規(guī)格有關(guān)，且在色譜柱給定時對每種目標(biāo)物的影響都是一致的，這里暫時不討論。另一個影響k值大小的因素是目標(biāo)物達(dá)到分配平衡的吉布斯函數(shù)（與之對應(yīng)的是分配系數(shù)K），由于相關(guān)討論要涉及到物理化學(xué)的計算，略顯復(fù)雜。這里將換個角度，從較為直觀的角度進(jìn)行簡要的分析，雖然不甚嚴(yán)謹(jǐn)，但是也能略微接近問題的根本。
既然可以將容量因子k理解為目標(biāo)物與固定相之間的作用力，那就說明有些作用力受溫度影響大，有些作用力受溫度影響小。為了搞清楚這個問題，得先對分之間作用力有所認(rèn)識。
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分之間的作用力稱作范德華力，包括色散力、誘導(dǎo)力、取向力三種，此外還有一種比范德華力更強(qiáng)的作用力稱作氫鍵。詳細(xì)的定義可以參閱相關(guān)教材，下面是這幾種力的簡要說明。
*色散力：任何分子之間都存在色散力，其大小主要與分子量有關(guān)。非極性分子間以色散力相互作用為主，極性分之間的色散力往往占次要地位。
*取向力：存在于極性分子之間，使極性分子傾向于整齊排列，這樣可以使靜電作用力增強(qiáng)。
*誘導(dǎo)力：分子中的電子云在外界電場作用下變形導(dǎo)致電荷分布不均勻，使分之間的靜電作用力增強(qiáng)。極性分子和非極性分子都可以被極化，極化大小主要與電子云是否容易變形有關(guān)。
*氫鍵：羥基、胺基、羧基等強(qiáng)極性基團(tuán)與其他強(qiáng)極性分子之間特有的作用力，比范德華力強(qiáng)，比化學(xué)鍵弱。
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分之間作用力是比較復(fù)雜的，這里不做詳細(xì)討論，僅僅結(jié)合色譜分析簡化歸納如下：
*弱極性固定相與目標(biāo)物之間主要都是色散力作用；
*強(qiáng)極性固定相與弱極性分子間有色散力相互作用；
*強(qiáng)極性固定相與強(qiáng)極性分子間有色散力和取向力兩種相互作用，通常取向力比較強(qiáng)；
*強(qiáng)極性固定相與可以極化的分子（電子云可以變形的分子）之間還有誘導(dǎo)力相互作用，其強(qiáng)弱與電子云可變形的程度有關(guān)；
*強(qiáng)極性固定相與含有羥基、胺基、羧基等強(qiáng)極性基團(tuán)的分之間有氫鍵作用，比其他力都要強(qiáng)。
結(jié)合前面的示例，比如wax柱分離甲醇、壬烷、THF，甲醇與wax固定相（分子結(jié)構(gòu)實際上是聚乙二醇）的作用力就包括色散力、取向力、誘導(dǎo)力、氫鍵這4種，其中氫鍵最強(qiáng)、取向力其次，色散力較弱（甲醇分子量比較?。?，誘導(dǎo)力也較弱（甲醇的電子云不易變形）；壬烷與固定相的色散力較強(qiáng)（分子量比較大），但是沒有其他幾種作用力；THF與固定相之間有色散力和取向力，但色散力比壬烷要弱（分子量?。∠蛄Ρ燃状既酰O性比甲醇?。?，誘導(dǎo)力也很弱，不存在氫鍵。再比如1701柱分離乙酸與正丁醇體系，固定相中含有一定量強(qiáng)極性的氰丙基，也含有非極性的甲基，因此與目標(biāo)物之間同時存在色散力、取向力和氫鍵（誘導(dǎo)力都較弱）。丁醇的分子量大但極性弱一些，因此是色散力較強(qiáng)，而取向力和氫鍵較弱；乙酸則相反，色散力較弱，但取向力和氫鍵較強(qiáng)；就總和而言這是丁醇略強(qiáng)一些，因此丁醇的保留時間略長。誘導(dǎo)力比較明顯的一般是含有雙鍵的分子，因為雙鍵的電子云比較容易變形，像苯環(huán)這種共軛雙鍵尤其容易極化變形，因此往往是誘導(dǎo)力占主導(dǎo)地位。
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在了解了分之間作用力之后再回到我們要討論的主題上。上述4種作用力都會受溫度的影響，但變化幅度差異較大，一般規(guī)律是氫鍵強(qiáng)度隨溫度變化最大，其次是色散力，誘導(dǎo)力和取向力隨溫度變化的幅度一般較小。
氫鍵是對溫度最為敏感的，隨著溫度升高氫鍵將迅速瓦解，因此以氫鍵作用力為主的物質(zhì)，其保留時間受溫度的影響一般都是最大的。前面的實例中各種醇和酸的保留時間變化都符合這一規(guī)律，并且氫鍵越強(qiáng)的物質(zhì)變化越明顯。當(dāng)含氫鍵的物質(zhì)（醇或者酸）與其他不含氫鍵的極性物質(zhì)（酯、醚）或者芳烴在同一個體系中時，一般都是醇或者酸的保留時間變化曲線更加陡、隨溫度變化更快。色散力與誘導(dǎo)力（或者取向力）的差異不是那么明顯，但是也是基本符合規(guī)律的。圖7顯示的苯乙烯與正十三烷是較為典型的例子，苯乙烯與wax固定相之間以誘導(dǎo)力為主，因此其保留時間隨溫度變化較小，而正十三烷只能發(fā)生色散力相互作用，其保留時間隨溫度變化的曲線更陡，因此與苯乙烯的曲線發(fā)生交叉。圖2中異丙苯與鄰二甲苯的例子也類似，但略微復(fù)雜一些。異丙苯是色散力較強(qiáng)（分子量大）而誘導(dǎo)力較弱（異丙基推電子阻礙極化），鄰二甲苯是色散力較弱而誘導(dǎo)力較強(qiáng)（分子不對稱利于極化），因此異丙苯是色散力占主導(dǎo)的、鄰二甲苯是誘導(dǎo)力占主導(dǎo)的，所以降低柱溫后異丙苯保留時間延長較多、鄰二甲苯保留時間延長較少，從而有利于分離。
用以上類似的方法進(jìn)行分析，前面文中列舉的例證都可以進(jìn)行合理有效的解釋，這里不再一一敷述。
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至此我們看到，氣相色譜分析中柱溫的各種影響都能夠用統(tǒng)一的理論進(jìn)行解釋，不同領(lǐng)域中的應(yīng)用經(jīng)驗看似矛盾，實際上都有共同的原理。前面講解的各種實例與相關(guān)分析，也許不一定能直接用于我們的實驗工作中，但是這種思考方式卻是實驗中非常值得借鑒的。氣相色譜分析雖然具有很強(qiáng)的實用性，但是其原理也是同樣重要的，畢竟色譜學(xué)是一門科學(xué)，而非技術(shù)，也更不是口耳相傳的民間手藝。誠然，有些時候簡單的幾次嘗試很容易，比絞盡腦汁思考原理可能還要更快，但是能將原理融會貫通卻能有效的提高我們的認(rèn)識水平，這樣對實驗的指導(dǎo)往往可以更加有效。所以從長期來看，把問題思考清楚比盲目的進(jìn)行實驗肯定效率更高。
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