PCR擴增儀又稱為PCR基因擴增儀、PCR核酸擴增儀、聚合酶鏈反應核酸擴增儀，是利用PCR(Polymerase chain reaction，聚合酶鏈反應)技術對特定DNA擴增的一種儀器設備，被廣泛運用于醫(yī)學、生物學實驗室中，例如用于判斷檢體中是否會表現(xiàn)某遺傳疾病的圖譜、傳染病的診斷、基因復制以及親子鑒定等。

發(fā)展歷史

1971年，Dr. Kjell Kleppe首次在Journal of molecular biology期刊發(fā)表的文章中準確、客觀地闡述了PCR方法。

1985年，美國PE-Cetus公司的Kary Mullis等人發(fā)明PCR技術。它推動了現(xiàn)代醫(yī)學由細胞水平向分子水平、基因水平發(fā)展，是DNA測序的基礎，它成為現(xiàn)代分子生物學發(fā)展過程中的一座里程碑。Mullis等也因此獲得了1993年的諾貝爾獎。

基本構造

PCR擴增儀通常由熱蓋部件、熱循環(huán)部件、傳動部件、控制部件和電源部件等部分組成 [1]  。

PCR擴增儀結構示意圖

工作原理

PCR技術的原理類似于DNA的天然復制過程，其特異性依賴于靶序列兩端互補的寡核苷酸引物，由變性-退火-延伸三個基本反應步驟構成 [2]  。

1. 模板DNA的變性

模板DNA經(jīng)加熱至93℃左右一定時間后，使模板DNA雙鏈或經(jīng)PCR擴增形成的雙鏈DNA解離，使之成為單鏈，以便它與引物結合，為下輪反應作準備。

2. 模板DNA與引物的退火(復性)

模板DNA經(jīng)加熱變性成單鏈后，溫度降至55℃左右，引物與模板DNA單鏈互補序列配對結合。

3. 引物的延伸

DNA模板-引物結合物在TaqDNA聚合酶的作用下，以dNTP為反應原料，靶序列為模板，按堿基配對與半保留復制原理，合成一條新的與模板DNA鏈互補的半保留復制鏈。

重復循環(huán)變性-退火-延伸三過程，就可獲得更多的“半保留復制鏈”，而且這種新鏈又可成為下次循環(huán)的模板。每完成一輪循環(huán)需2~4分鐘，如此反復進行，每一輪循環(huán)所產(chǎn)生的DNA均能成為下一輪循環(huán)的模板，每一輪循環(huán)都使兩條人工合成的引物間的DNA特異區(qū)拷貝數(shù)擴增1倍，PCR產(chǎn)物以2的指數(shù)形式迅速擴增，經(jīng)過25~30輪循環(huán)后(2~3小時)，理論上可使基因擴增109倍以上，實際上一般可達106~107倍。

  PCR的反應動力學

PCR的三個反應步驟反復進行，使DNA擴增量呈指數(shù)上升。反應最終的DNA擴增量可用y=(1+X)n計算。Y代表DNA片段擴增后的拷貝數(shù)，X表示平均每次的擴增效率，n代表循環(huán)次數(shù)。平均擴增效率的理論值為100%，實際反應初期，靶序列DNA片段的增加呈指數(shù)形式，隨著PCR產(chǎn)物的逐漸積累，被擴增的DNA片段不再呈指數(shù)增加，而進入線性增長期或靜止期，即出現(xiàn)“停滯效應”，使平均效率達不到理論值 [2]  。

標準的PCR反應體系

參加PCR反應的物質為模板、引物、耐熱DNA聚合酶、三磷酸脫氧核苷酸和鎂離子，其中關鍵步驟是最佳引物的設計 [2]  。

1. 模板核酸

模板(靶基因或樣品DNA)核酸的量與純化程度是PCR成敗與否的關鍵環(huán)節(jié)之一。一般臨床檢測標本，可采用快速簡便的方法溶解細胞，裂解病原體，消化除去染色體的蛋白質使靶基因游離，直接用于PCR擴增。DNA模板提取一般采用異硫氰酸胍或蛋白酶K法，要防止核糖核酸酶(ribonuclease，RNase)降解RNA。

2. 引物

PCR產(chǎn)物的特異性取決于引物與模板DNA互補的程度。理論上，只要知道任何一段模板DNA序列，就能按其設計互補的寡核苷酸鏈作引物。每條引物鏈的濃度為0.1~1μmol或10-100pmol，以反應所需要的最低引物量的濃度為好。

3. DNA聚合酶

TaqDNA聚合酶基因全長2496個堿基，75~80℃時每個酶分子每秒鐘可延伸約150個核苷酸，在PCR循環(huán)的高溫條件下仍能保持較高的活性和良好的熱穩(wěn)定性，溫度過高(90℃以上)或過低(22℃)都可影響TaqDNA聚合酶的活性。目前，有兩種TaqDNA聚合酶供應，一種是從棲熱水生桿菌中提純的天然酶，另一種為大腸菌合成的基因工程酶。

4. 三磷酸脫氧核苷酸(dNTP)

dNTP的質量與濃度和PCR擴增效率有密切關系。在PCR反應中，dNTP應為50-200μmol/L，尤其是注意4種dNTP的濃度要相等(等摩爾配制)，濃度過低又會降低PCR產(chǎn)物的產(chǎn)量。

5. 鎂離子濃度

Mg2+能與dNTP結合，Mg2+對PCR擴增的特異性和產(chǎn)量有顯著的影響。在一般的PCR反應中，各種dNTP濃度為20μmol/L時，Mg2+濃度為1.5~2.0mmol/L為宜，Mg2+濃度過高，反應特異性降低，出現(xiàn)非特異擴增：濃度過低，會降低taqDNA聚合酶的活性，使反應產(chǎn)物減少。

PCR的反應條件

PCR反應條件為溫度、時間和循環(huán)次數(shù)。

1. 溫度與時間的設置：基于PCR原理三步驟而設置變性-退火-延伸3個溫度點。在標準反應中，雙鏈DNA在90~95℃變性，再迅速冷卻至40~60℃，引物退火并結合到靶序列上，然后快速升溫至70~75℃，在 TaqDNA聚合酶的作用下，使引物鏈沿模板延伸。

2. PCR反應時間：變性時間一般2~3min，可以使模板DNA完全變性。復性時間一般為30~60s，足以使引物與模板之間完全結合。PCR延伸反應的時間可根據(jù)待擴增片段的長度而定，一般1kb以內(nèi)的DNA片段，延伸時間1min是足夠的。

3. 循環(huán)次數(shù)：循環(huán)次數(shù)決定PCR擴增程度。PCR循環(huán)次數(shù)主要取決于模板DNA的濃度。一般的循環(huán)次數(shù)選在30-40次之間，循環(huán)次數(shù)越多，非特異性產(chǎn)物的量亦隨之增多

  產(chǎn)品分類

根據(jù)DNA擴增的目的和檢測的標準，可以將PCR儀分為普通PCR儀，梯度PCR儀，原位PCR儀，實時熒光定量PCR儀四類。

1. 普通PCR儀

一次PCR擴增只能運行一個特定退火溫度的PCR儀稱作傳統(tǒng)PCR儀，也叫普通PCR儀。如果要做不同的退火溫度需要多次運行。主要是用于簡單的、對目的基因退火溫度的擴增。該儀器主要應用于科學研究、教學、醫(yī)學臨床、檢驗檢疫等機構。

2. 梯度PCR儀

一次性PCR擴增可以設置一系列不同的退火溫度條件（溫度梯度，通常有12種溫度梯度）的PCR儀稱作梯度PCR儀。因為被擴增的不同DNA片段，其最適退火溫度是不同的，通過設置一系列的梯度退火溫度進行擴增，從而一次性PCR擴增，就可以篩選出表達量高的最適退火溫度，進行有效的擴增。用于研究未知DNA退火溫度的擴增，這樣節(jié)約成本的同時也節(jié)約了時間。梯度PCR儀在不設置梯度的情況下也可以做普通PCR擴增。主要應用于科研、教學機構。

3. 原位PCR儀

用于從細胞內(nèi)靶DNA的定位分析的細胞內(nèi)基因擴增儀稱作原位PCR儀。如病源基因在細胞的位置或目的基因在細胞內(nèi)的作用位置等。是保持細胞或組織的完整性，使PCR反應體系滲透到組織和細胞中，在細胞的靶DNA所在位置上進行基因擴增。不但可以檢測到靶DNA，又能標出靶序列在細胞內(nèi)的位置，對于在分子和細胞水平上研究疾病的發(fā)病機理和臨床過程及病理的轉變有重大的實用價值。主要應用于臨床、科研。

4. 實時熒光定量PCR儀

在普通PCR儀的基礎上增加一個熒光信號采集系統(tǒng)和計算機分析處理系統(tǒng)的PCR儀稱作熒光定量PCR儀。其PCR擴增原理和普通PCR儀擴增原理相同，只是PCR擴增時加入的引物是利用同位素、熒光素等進行標記，使用引物和熒光探針同時與模板特異性結合擴增。擴增的結果通過熒光信號采集系統(tǒng)實時采集信號連接輸送到計算機分析處理系統(tǒng)得出量化的實時結果輸出。把這種PCR儀叫做實時熒光定量PCR儀（qPCR儀）。熒光定量PCR儀有單通道、雙通道和多通道。當只用一種熒光探針標記的時候，選用單通道，有多熒光標記的時候用多通道。單通道也可以檢測多熒光的標記的目的基因表達產(chǎn)物，因為一次只能檢測一種目的基因的擴增量，需多次擴增才能檢測完不同目的基因片段的量。主要用于醫(yī)學臨床檢測、生物醫(yī)藥研發(fā)、食品行業(yè)、科研院校等機構。

根據(jù)DNA擴增時升溫介質的不同可以將PCR儀分為：變溫鋁塊式PCR儀、水浴式PCR儀和變溫式流式PCR儀。

1. 變溫鋁塊式PCR儀

熱源用電阻絲、導電熱膜、熱泵式珀爾帖半導體元件制作，讓帶有凹孔的鋁塊升溫，用自來水、制冷壓縮機或半導體降溫。優(yōu)點：溫度傳導快，各管的擴增一致性好；反應管規(guī)格一致時無須外涂石蠟油；可用微電腦調節(jié)溫度轉換；儀器制冷部件可以在完成擴增后降溫至4℃，保存樣品過夜。缺點：管內(nèi)反應液溫度比鋁塊顯示溫度滯后；須使用特制且與鋁塊凹孔形狀緊密吻合的薄壁耐熱反應管；變溫時難以快速克服鋁塊的熱容量；壓縮機制冷啟動慢、重量大、滯后時間長。

2. 水浴式PCR儀

儀器本身有3個不同溫度的水浴，用機械裝置將帶有反應管的架子移位和升降溫度，使溫度循環(huán)。優(yōu)點：水為傳熱介質，溫度易恒定，熱容量大；反應管形狀無特殊要求，溫度轉換較快擴增效果穩(wěn)定；具有較高的運行效率，擴增產(chǎn)物特異性好。缺點：高溫浴不穩(wěn)定，水面需用液體石蠟覆蓋；改變水浴溫度所需時間較長，不易實施復雜程序（如套式PCR）的操作，儀器體積較大；室溫影響溫度下限。

3. 變溫式流式PCR儀

依據(jù)空氣流的動力學原理，以冷熱氣流為介質升降溫度。優(yōu)點：變溫迅速，擴增效果好，適合于微量、快速PCR；反應器不受形狀限制，管外無需涂液體石蠟；測定管內(nèi)液體溫度作為控溫依據(jù)，顯示溫度真實可靠；易于用微電腦設定復雜的變溫程序；易于制成重量較輕的便攜式儀器，適合外出作業(yè)。缺點：以室溫為溫度下限，低溫難控制，對空氣流的動力學要求較高，需精心設計才能使各管溫度均勻。

臨床應用

感染性疾病的診斷：PCR技術在感染性疾病中尤其適用于檢測一些培養(yǎng)周期長或缺乏穩(wěn)定可靠檢測手段的病原體。

 

遺傳性疾病的診斷：遺傳性疾病的發(fā)病基礎是核酸分子結構變異與核酸的表達產(chǎn)物，如蛋白質或酶類分子結構的改變。PCR技術的原理恰好為檢測這一類疾病提供了有效的手段。

 

惡性腫瘤的診斷：PCR技術用于癌基因和抑癌基因缺失與點突變的檢測以及腫瘤相關病毒基因的檢測，為臨床診斷帶來了簡便快速、準確的方法，同時也為腫瘤相關疾病的治療與預后提供了監(jiān)控手段。

 

移植配型：隨著PCR技術的出現(xiàn)，分子生物學技術被引入到HLA配型領域，通過PCR擴增儀可以建立快速、準確的HLA基因分型方法，滿足臨床移植配型的需要。

 

工作環(huán)境

環(huán)境溫度：5℃～40℃；相對濕度：不大于80%；環(huán)境清潔少塵，避免陽光直射；遠離熱源、水源、強烈的電磁干擾源。

選擇較為堅實的、不怕濕的臺面安置儀器，臺面高度適中，輕松操作。儀器四周留取一定空間，間隔20cm以上，用于通風和散熱。供電線路需承受10A電流。提供良好接地將進一步提高電氣安全性和系統(tǒng)可靠性。