定义
实时荧光PCR分析仪是一种将传统PCR扩增与荧光信号检测同步进行的高精度分子生物学设备。通过在PCR反应体系中加入荧光标记物(探针或染料),实时监测扩增过程中荧光强度的变化,实现对目标核酸(DNA/RNA)的定量(**/相对)或定性分析,无需后期电泳检测。
核心原理
PCR扩增基础
遵循聚合酶链式反应(PCR)三步骤:变性(高温解链DNA)、退火(引物结合模板)、延伸(合成新链)。
荧光信号生成
TaqMan探针:5'端报告基团(FAM),3'端淬灭基团(TAMRA),水解后释放荧光。
分子信标:茎环结构,结合靶序列后发夹打开,荧光恢复。
双杂交探针:相邻探针发生FRET能量转移产生荧光。
SYBR Green等染料嵌入双链DNA,发射荧光(强度与产物量成正比)。
缺点:易受非特异产物干扰。
荧光染料法(非特异性):
荧光探针法(特异性):
实时监测
每轮循环结束时检测荧光强度,生成扩增曲线。
阈值线(Threshold):背景荧光以上的设定值,与Ct值相关。
Ct值(Cycle Threshold):荧光强度达到阈值时的循环数,与起始模板量负相关(定量依据)。
核心组件
组件 | 功能 |
---|---|
热循环模块 | 精确控制温度(±0.1℃),实现变性、退火、延伸的快速切换。 |
光学检测系统 | - 光源:LED、卤钨灯或激光器 - 滤光片/光栅:选择激发/发射波长 - 检测器:CCD或PMT捕获荧光信号 |
多通道检测 | 支持4-6色荧光通道(如FAM, HEX, ROX, Cy5),实现多重检测。 |
温控技术 | - Peltier半导体温控:主流技术 - 离心式空气加热(快速PCR仪) |
软件与分析模块 | 控制仪器运行,分析扩增曲线、计算Ct值、生成标准曲线、输出定量/熔解曲线结果。 |
工作流程
样本准备:提取核酸(DNA/RNA),构建反应体系(引物、探针、酶、dNTPs)。
加样:转移**专用PCR管或96/384孔板。
程序设置:
温度程序(预变性→循环扩增→延伸)
荧光通道选择(根据染料/探针波长)
实时监测:每轮循环结束采集荧光信号。
数据分析:
定量分析:通过标准曲线计算模板拷贝数(**定量)或相对表达量(如2<sup>−ΔΔCt</sup>法)。
定性分析:熔解曲线分析(SYBR Green法验证产物特异性)。
阳性判定:Ct值≤预设阈值(通常35-40)。
关键性能参数
参数 | 意义 |
---|---|
检测灵敏度 | **低可检出模板量(可达单拷贝级别)。 |
动态范围 | 可准确定量的浓度范围(通常跨越6-8个数量级)。 |
分辨率 | 区分浓度差异的能力(如±1.5倍差异)。 |
通量 | 单次运行样本数(96孔/384孔板,高通量机型支持数千样本/天)。 |
升温/降温速率 | 影响PCR速度(常规仪器:3-5°C/秒;快速PCR仪:>10°C/秒)。 |
多色检测能力 | 支持同步检测的荧光通道数(4-6通道为主)。 |
主要应用领域
病原体检测
病毒(COVID-19、流感、HIV)、**(结核分枝杆菌)、寄生虫的快速诊断。
基因表达分析
mRNA定量(qRT-PCR),研究基因调控机制。
基因分型与突变检测
SNP分析、插入/缺失鉴定(探针法或熔解曲线分析)。
转基因检测
食品/作物中转基因成分定量(如35S启动子、NOS终止子)。
**开发与药效评估
靶基因表达水平监测。
法医学
DNA指纹图谱、亲子鉴定。
优势与局限性
优势 | 局限性 |
---|---|
▶ 高灵敏度与特异性 | ▶ 易受抑制剂影响(血色素、肝素等) |
▶ 闭管操作,降低污染风险 | ▶ 引物/探针设计难度高(尤其多重检测) |
▶ 定量范围广,无需后期处理 | ▶ 设备及试剂成本较高 |
▶ 快速获得结果(1-2小时) | ▶ 对实验操作规范性要求严格 |
▶ 支持多重检测(多靶标同步分析) | ▶ **定量需标准品(增加复杂性) |
使用注意事项
防污染措施:
分区域操作(试剂准备区→样本处理区→扩增区)。
使用带滤芯吸头、UV灯**工作台。
质量控制:
设置阴性对照(无模板)、阳性对照、内参基因(如GAPDH)。
探针/染料选择:
多重检测需避免光谱重叠。
RNA检测:
需逆转录步骤(qRT-PCR),严防RNA酶污染。
发展趋势
便携化与现场检测
手持式/床旁快速PCR仪(如用于突发疫情现场筛查)。
自动化整合
与核酸提取仪、液体处理工作站联用,构建全自动检测线。
数字PCR(dPCR)互补
提供**定量无需标准曲线,适用于低丰度靶标分析。
多重检测能力提升
发展10色以上荧光系统,实现超多重靶标同步检测。
AI辅助分析
自动识别异常扩增曲线,优化结果判读准确性。
代表厂商与机型
赛默飞世尔(Thermo Fisher):QuantStudio 5/7, StepOnePlus
伯乐(Bio-Rad):CFX96/384, CFX Opus
罗氏(Roche):LightCycler 480/96
安捷伦(Agilent):AriaMx
国产平台:宏石(SLAN)、博日(LineGene)
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