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氣相色譜中的流動相（或活動相）是載氣，通常使用惰性氣體（如氦氣）或反應性差的氣體（如氮氣）。固定相則由一薄層液體或聚合物附著在一層惰性的固體載體表面構成。固定相裝在由玻璃或金屬制成的一根空心管柱內（稱為色譜柱）。用作進行氣相色譜的儀器稱為氣相色譜儀（或“氣體分離器”）。

待分析的氣體樣品與覆蓋有各種各樣的固定相的柱壁相互作用，使得不同的物質在不同的時間被洗脫出來。從一種物質進樣開始到出現色譜峰值的時間被稱為該物質的保留時間，通過將未知物質的保留時間與相同條件下標準物質的保留時間的比較可以表征未知物。

利用試樣中各組份在氣相和固定液體相間的分配系數不同，當汽化后的試樣被載氣帶入色譜柱中運行時，組份就在其中的兩相間進行反復多次分配，由于固定相對各組份的吸附或溶解能力不同， 因此各組份在色譜柱中的運行速度就不同，經過一定的柱長后，便彼此分離，按順序離開色譜柱進入檢測器，產生的離子流訊號經放大后，在記錄器上描繪出各組份的色譜峰。

檢測器對每個組分所給出的信號，在記錄儀上表現為一個個的峰，稱為色譜峰。色譜峰上的極大值是定性分析的依據，而色譜峰所包羅的面積則取決于對應組分的含量，故峰面積是定量分析的依據。一個混合物樣品注入后，由記錄儀記錄得到的曲線，稱為色譜圖。分析色譜圖就可以得到定性分析和定量分析結果。