什么原因导致色谱峰展宽？

原因
影响色谱峰展宽的因素很多种，但不外乎柱内和柱外两类。柱内因素是指色谱柱本身的性能，如柱活性大小、固定相是否与样品发生化学反应、柱效是否足够高、样品是否超载等；柱外因素主要是指接头的死体积、进样口和检测器死体积等。
进样口造成峰展宽的机理有两种：一是时间上的展宽；二是空间上的展宽。
时间上的峰展宽是由样品蒸气从进样口到色谱柱的迁移速度决定的，速度越快，初始峰宽越小。而空间上的峰展宽则是样品进入色谱柱头时产生的，如不分流进样和冷柱上进样时，样品进入柱头会发生部分或全部冷凝，冷凝的液体样品会在载气的吹扫下移动，从而在一定的长度上分布，这一长度就是初始峰宽，如果样品与固定相的相容性不好，还会形成液滴而分布，这就使初始峰宽进一步加大，严重的还会造成分裂峰。
荷兰学者范第姆特等人在研究气相色谱时，提出了色谱过程的动力学理论---速率理论。根据速率理论，谱峰展宽的因素包括涡流扩散、分子扩散、气相传质阻力、流动相的流速等。
①涡流扩散是指在填充色谱柱中，流动相通过填充物的不规则空隙时，其流动方向不断地改变，因而形成紊乱的类似“涡流”的流动。由于填充物的大小、形状各异以及填充的不均匀性，使组分各分子在色谱柱中经过的通道直径和长度不等，从而造成他们在柱中的停留时间不同，其结果是使色谱峰变宽；
②分子扩散是指试样进入色谱柱后，在色谱柱轴向上造成浓度梯度，使组分分子产生浓差扩散，主要与组分在气相中的扩散系数大小有关；
③气相传质阻力与填充物粒度、组分在载气流中的扩散系数有关，主要是试样在两相界面上不能瞬间达到分配平衡，有的分子还来不及进入两相界面就被气相带走，有的分子在进入两相界面后还来不及返回气相，这就造成了色谱峰展宽；
④固定相传质阻力同气相传质阻力类似，与固定液膜厚度、组分在液相中的扩散系数有关，不过它是发生在气液界面和固定相之间的，也会引起色谱峰的扩张。
解决方案
针对导致色谱峰展宽的原因，可从以下考虑：使用相对分子质量较大的载气（如N₂），采用较高的载气流速，控制较低的柱温，从而尽量减小分子扩散项；减小固定液膜厚度，增大组分在液相中的扩散系数，可以减小固定相传质阻力；采用粒度小的填料和相对分子质量小的气体（如He、H₂）作载气，可减小流动相传质阻力。具体可从以下几方面优化分离条件来改善峰展宽，在尽可能短的分析时间内获得满意的分离效果。
①改变动力学因素中的理论塔板数n和理论塔板高度H。理想的方法是在不断增加柱长的条件下减小板高以达到增加流速缩短分析时间的目的。一般可以采用接近最佳流速的载气流速，采用小内径的色谱柱，填充柱的话使用的填料要粒度细、颗粒均匀，且均匀填充，以减少涡流扩散，提高柱效。
②改变固定相与流动相的容量因子k，提高分离度R。k在一定范围内增加可有效提高R，但当k大于5时R的变化就很小了，反而使保留时间迅速增加。此时，可采取降低柱温、降低载气流速等措施。
③改变相对保留值α。在流动相和固定相一定时，α只与柱温有关。当两个组分的α接近1时，改变H和k都难以改善峰形实现分离，此时可通过改变柱温、更换色谱柱（改变固定相）、采用化学作用如衍生化反应改变待测物的结构来实现。
④ gc毛细管柱可采用程序升温。程序升温可使待测物在适当的温度下流出，以保证每个组分有合适的k值，同时改善R。
⑤优化进样和检测条件。要消除进样口对色谱峰展宽的影响就要使进入色谱柱的样品初始谱带尽可能窄。一般地讲，进样量小一些、进样口温度高一些、载气流速快一些、衬管内径小一点、气化室体积小一些、分流比大一些，都对形成窄的初始谱带宽度有利。见图1，不同内径的进样口衬管对色谱峰宽的影响对比图。

图1 不同内径的进样口衬管对化合物色谱峰峰宽的影响对比图^{[引自安捷伦手册]}

当然还可以利用进样过程中的聚焦技术来减小初始谱带宽度，分为固定相聚焦、溶剂聚焦和热聚焦。
a.固定相聚焦。这是最常用的聚焦技术，但只能用于程序升温分析。在gc中，保留时间是柱温的指数函数，柱温低时，样品从气化室进入色谱柱后的移动速度就会减慢。这时固定相与样品相互作用，从而使样品组分聚焦到一个窄的谱带中。实现固定相聚焦的条件是初始柱温要低，样品与固定相的相容性要好（相似相溶规律判断）。
b.溶剂聚焦。样品在柱头部分或全部冷凝后，溶剂开始挥发，与溶剂挥发性接近的组分就会浓缩在未挥发的溶剂中，从而产生很窄的初始谱带，这就是溶剂聚焦，也叫溶剂效应。根据样品组分的沸点和初始柱温选择合适溶剂，往往可以抑制进样过程对峰展宽的影响。
c.热聚焦。样品在柱头冷凝的过程中，由于溶剂先进入色谱柱而导致溶质发生浓缩，这就是热聚焦。当柱温达到溶质气化温度后，样品就以很窄的谱带在色谱柱中移动。在冷柱上进样时，采用液氮或二氧化碳使柱头处于低温下，就是为了实现热聚焦，可见低的初始柱温是热聚焦的关键。
实际进样测定时，针对峰展宽还应注意：手动进样时注射速度要快，速度慢会使样品气化过程变长，导致样品进入色谱柱的初始谱带变宽；确保载气最佳气流和流量下分析；样品过载时，增大分流比或降低进样量和进样浓度；发现进样口污染时，应及时更换衬管和隔垫；色谱柱用久后，柱效会下降，前端会污染，固定相流失会聚集在末端，此时应截去色谱柱前后一段，检测柱效；检测器温度不能太低等。
案例分析
不分流进样分析长链烷烃（C₁₁、C₁₂）时，进样2µL，样品浓度50μg/mL，采用OV-101毛细管柱在115℃下恒温分析，使用己烷作为溶剂时，由于其沸点68℃低于初始柱温，且与样品C₁₁和C₁₂的沸点相差大，故无溶剂聚焦发生，峰宽较宽，见图2；改用辛烷做溶剂后，同样的分析条件下，其沸点为125℃高于初始柱温，故溶剂聚焦效应存在，C₁₁和C₁₂的峰明显变窄，响应也有所增加，见图3。因此，根据样品组分的沸点和初始柱温来选择合适的溶剂，往往可以抑制进样过程造成色谱峰展宽。

图2 己烷溶剂对长链烷烃n-C11和n-C12色谱峰峰宽影响

图3 辛烷溶剂对长链烷烃n-C11和n-C12色谱峰峰宽影响