熒光定量PCR實(shí)驗(yàn)技巧
實(shí)時熒光定量 PCR（qPCR）是生命科學(xué)領(lǐng)域的革命性技術(shù)，能在 PCR 擴(kuò)增過程中實(shí)時監(jiān)測熒光信號，實(shí)現(xiàn)對靶基因的精確定量。熒光定量 PCR 已成為分子生物學(xué)領(lǐng)域的金標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，但其特異性優(yōu)化仍是許多研究者面臨的挑戰(zhàn)。
然而，PCR 特異性問題始終困擾著許多研究人員。非特異性擴(kuò)增不僅會導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，還會浪費(fèi)寶貴的樣本和時間。本文將詳細(xì)介紹提高 PCR 特異性的九大方法，并結(jié)合最新市場數(shù)據(jù)，幫助您選擇適合的熒光定量 PCR 儀器和試劑。
一、引物設(shè)計：特異性擴(kuò)增的基石
細(xì)心地進(jìn)行引物設(shè)計是 PCR 中最重要的一步。理想的引物對只同目的序列兩側(cè)的單一序列而非其他序列退火。設(shè)計糟糕的引物可能會同擴(kuò)增其他的非目的序列。
引物設(shè)計的關(guān)鍵原則
• 長度適宜：典型的引物 18 到 24 個核苷長。引物需要足夠長，保證序列獨(dú)特性，但大于 24 核苷的引物并不意味著更高的特異性。
• GC 含量合理：選擇 GC 含量為 40％到 60％或 GC 含量映像模板 GC 含量的引物。設(shè)計 5' 端和中間區(qū)為 G 或 C 的引物，增加引物穩(wěn)定性。
• 避免二聚體：避免引物對 3' 末端存在互補(bǔ)序列，這會形成引物二聚體，抑制擴(kuò)增。
• 3' 末端設(shè)計：避免 3' 末端富含 GC，保證在最后 5 個核苷中含有 3 個 A 或 T。避免 3' 末端的錯誤配對。
• 二級結(jié)構(gòu)：避免存在可能會產(chǎn)生內(nèi)部二級結(jié)構(gòu)的序列，這會破壞引物退火穩(wěn)定性。
使用 NCBI Primer-BLAST 工具進(jìn)行引物設(shè)計，注意跨外顯子連接區(qū)設(shè)計，避免基因組 DNA 擴(kuò)增。
二、引物退火溫度：精確控制的關(guān)鍵
熔解溫度（Tm）是當(dāng) 50％的引物和互補(bǔ)序列表現(xiàn)為雙鏈 DNA 分子時的溫度。Tm 對于設(shè)定 PCR 退火溫度是必需的。
優(yōu)化策略
• 合理的退火溫度從 55℃到 70℃，一般設(shè)定比引物的 Tm 低 5℃。
• 為獲得最佳結(jié)果，兩個引物應(yīng)具有近似的 Tm 值（差異不超過 5℃）。
• 可以通過分析幾個逐步提高退火溫度的反應(yīng)以提高特異性，以 2℃為增量逐步提高退火溫度。
三、遞減 PCR：逐步提高特異性的方法遞減 PCR 通過在 PCR 的前幾個循環(huán)使用嚴(yán)緊的退火條件提高特異性。循環(huán)開始在比估算的 Tm 高大約 5℃的退火溫度下開始，然后每個循環(huán)降低 1℃到 2℃，直到退火溫度低于 Tm 5℃。
這種方法只有同源性最高的目的模板會被擴(kuò)增，這些產(chǎn)物在隨后的循環(huán)中繼續(xù)擴(kuò)增，并會將擴(kuò)增的非特異性產(chǎn)物排擠出去。
四、引物濃度：平衡產(chǎn)量與特異性引物的濃度會影響特異性。最佳的引物濃度一般在 0.1 到 0.5μM。較高的引物濃度會導(dǎo)致非特異性產(chǎn)物擴(kuò)增。
可以使用光吸收值和微摩消光系數(shù)的倒數(shù)（nmol/OD），通過 Beers 法則計算引物濃度。避免使用寡聚核苷酸作為標(biāo)準(zhǔn)在 EB 染色的膠上估算引物濃度，因?yàn)橐锖蜆?biāo)準(zhǔn)的染色能力根據(jù)序列不同而差異很大。
五、引物純度和穩(wěn)定性：保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性定制引物的標(biāo)準(zhǔn)純度對于大多數(shù) PCR 應(yīng)用是足夠的。但部分應(yīng)用需要純化，以除去在合成過程中的任何非全長序列。
引物保存建議
• 最好在 TE 重溶引物，使其最終濃度為 100μM。
• 將干粉和溶解的引物儲存在 - 20℃。
• 大于 10μM 濃度溶于 TE 的引物在 - 20℃可以穩(wěn)定保存 6 個月。
• 干粉引物可以在 - 20℃保存至少 1 年。
六、熱啟動 PCR：有效防止非特異性擴(kuò)增熱啟動 PCR 是除了好的引物設(shè)計之外，提高 PCR 特異性最重要的方法之一。盡管 Taq DNA 聚合酶的最佳延伸溫度在 72℃，聚合酶在室溫仍然有活性，因此在進(jìn)行 PCR 反應(yīng)配制過程中會產(chǎn)生非特異性的產(chǎn)物。
Platinum Taq DNA 聚合酶對于自動熱啟動 PCR 來說方便高效。同經(jīng)化學(xué)修飾用于熱啟動的 Taq DNA 聚合酶相比，Platinum 酶不需要在 94℃延時保溫（10 到 15 分鐘）以激活聚合酶。
七、鎂離子濃度：影響 PCR 多個方面鎂離子影響 PCR 的多個方面，如 DNA 聚合酶的活性，這會影響產(chǎn)量；再如引物退火，這會影響特異性。包含 200μM dNTP 的典型 PCR 起始濃度是 1.5mM（對實(shí)時定量 PCR，使用 3 到 5mM 帶有熒光探針的鎂離子溶液）。
為了確定最佳濃度，從 1mM 到 3mM，以 0.5mM 遞增，進(jìn)行鎂離子滴定。Platinum Taq DNA 聚合酶能夠在比 Taq DNA 聚合酶更廣的鎂離子濃度范圍內(nèi)保持功能，因此僅需較少的優(yōu)化。
八、PCR 添加劑：增強(qiáng)困難模板的擴(kuò)增對于高 GC 含量的模板等困難模板，需要添加輔助物質(zhì)。PCR 添加劑包括甲酰胺、DMSO、甘油、甜菜堿以及 PCRx Enhancer Solution 可以增強(qiáng)擴(kuò)增。
它們可能的機(jī)理是降低熔解溫度，從而有助于引物退火并輔助 DNA 聚合酶延伸通過二級結(jié)構(gòu)區(qū)。為獲得最佳結(jié)果，應(yīng)優(yōu)化添加劑的濃度，尤其是會抑制 Taq DNA 聚合酶的 DMSO、甲酰胺和甘油。
九、巢式 PCR：大幅提高特異性和靈敏度使用巢式引物進(jìn)行連續(xù)多輪擴(kuò)增可以顯著提高特異性和靈敏度。第一輪是 15 到 20 個循環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)增，將一小部分起始擴(kuò)增產(chǎn)物稀釋 100 到 1000 倍加入到第二輪擴(kuò)增中進(jìn)行 15 到 20 個循環(huán)。
在第二輪擴(kuò)增中使用一套巢式引物，其可以同第一套引物內(nèi)側(cè)的靶序列結(jié)合。巢式 PCR 的使用降低了擴(kuò)增多個靶位點(diǎn)的可能性，因?yàn)橥瑑商滓锒蓟パa(bǔ)的靶序列很少。
熒光定量 PCR 儀器選擇指南|
朗基熒光定量PCR儀型號參數(shù)對比 |
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型號 |
T30 |
A300 |
A200 |
Mini3220 |
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屏幕 |
10.1" TFT高清真彩全觸控屏 |
7" TFT高清真彩全觸控屏 |
7" TFT高清真彩全觸控屏 |
4.3" TFT彩色觸摸屏 |
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角度可調(diào) |
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樣品臺 |
3組32孔×0.2ml獨(dú)立樣品臺 |
可選：96孔/9677孔/384孔/多功能模塊 |
可選：96孔/9677孔/384孔/多功能模塊 |
32孔×0.2ml |
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可同時運(yùn)行三個不同程序 |
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升降溫系統(tǒng) |
美國MARLOW半導(dǎo)體芯片 |
美國MARLOW半導(dǎo)體芯片 |
美國MARLOW半導(dǎo)體芯片 |
最新一代半導(dǎo)體技術(shù) |
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升溫≥7.5℃/秒 |
升溫6℃/秒 |
升溫5℃/秒 |
升溫5℃/秒 |
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循環(huán)次數(shù)≥100萬次 |
降溫5℃/秒 |
降溫5℃/秒 |
降溫4℃/秒 |
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溫控性能 |
溫度范圍：0-105℃ |
溫度范圍：0-105℃ |
溫度范圍：0-105℃ |
溫度范圍：0.1-99.9℃ |
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精度：≤±0.1℃ |
精度：≤±0.1℃ |
精度：≤±0.1℃ |
精度：±0.25℃ |
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均勻性：≤±0.2℃ |
均勻性：≤±0.2℃ |
均勻性：≤±0.2℃ |
均勻性：±0.25℃ |
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梯度PCR |
支持 |
支持 |
支持 |
不支持 |
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梯度范圍：30-105℃ |
梯度范圍：30-105℃ |
梯度范圍：30-99.9℃ |
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8行梯度溫度 |
12列梯度溫度點(diǎn) |
12列梯度溫度點(diǎn) |
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特殊功能 |
可升級為三槽定量PCR儀 |
支持原位功能 |
支持時間/溫度遞變功能 |
變溫速度可調(diào) |
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模塊化設(shè)計，用途靈活 |
時間/溫度遞變功能 |
Long PCR、Touchdown PCR |
適合基礎(chǔ)擴(kuò)增需求 |
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可連接電腦遠(yuǎn)程控制（最多50臺） |
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程序存儲 |
主機(jī)存儲15,000個程序 |
主機(jī)存儲15,000個程序 |
主機(jī)存儲10,000個程序 |
存儲大于100個程序 |
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U盤無限量下載 |
U盤無限量下載 |
U盤無限量下載 |
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售后服務(wù) |
質(zhì)保3年 |
質(zhì)保1年 |
質(zhì)保1年 |
質(zhì)保1年 |
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參考價格 |
￥38,000左右/臺 |
面議 |
1-3.5萬 |
￥22200左右/臺 |
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核心應(yīng)用場景 |
高端科研、高通量篩選 |
綜合性分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室 |
常規(guī)PCR實(shí)驗(yàn)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)室 |
入門級、預(yù)算有限 |
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需要極致速度和精準(zhǔn)度的實(shí)驗(yàn)室 |
需要靈活模塊和遠(yuǎn)程管理的用戶 |
性價比之選 |
少量樣本基礎(chǔ)擴(kuò)增 |
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實(shí)驗(yàn)質(zhì)量控制要點(diǎn)
為確保 qPCR 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性，必須設(shè)置以下五種必要對照：
• NTC（無模板對照）：監(jiān)測引物二聚體 / 體系污染。
• NRT（無逆轉(zhuǎn)錄對照）：檢測 gDNA 殘留。
• 陽性對照：確認(rèn)反應(yīng)體系有效性。
• 標(biāo)準(zhǔn)曲線：計算引物擴(kuò)增效率。
• 內(nèi)參對照：樣本間歸一化基準(zhǔn)。
提高 PCR 特異性需要綜合考慮引物設(shè)計、反應(yīng)條件優(yōu)化和添加劑使用等多個方面。通過本文介紹的九種方法，您可以顯著提高 PCR 反應(yīng)的特異性，獲得更加可靠實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
同時，選擇高質(zhì)量的 PCR 儀器和試劑也是確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性的重要因素。根據(jù)您的實(shí)驗(yàn)需求和預(yù)算，選擇適合的熒光定量 PCR 儀，將有助于您獲得更加準(zhǔn)確和可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
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方法 |
關(guān)鍵點(diǎn) / 原理 |
適用場景 / 注意事項(xiàng) |
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引物設(shè)計 |
長度 18 - 24nt，GC 含量 40% - 60% ，避免 3' 端互補(bǔ)及二級結(jié)構(gòu) |
所有 PCR 實(shí)驗(yàn)，是提高特異性的基礎(chǔ) |
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退火溫度優(yōu)化 |
設(shè)定比 Tm 低 5℃，逐步提高溫度以提高特異性 |
當(dāng)出現(xiàn)非特異性條帶時，需進(jìn)行溫度優(yōu)化 |
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遞減 PCR |
前幾個循環(huán)使用高退火溫度，隨后每個循環(huán)降低 1 - 2℃ |
適用于引物和模板同源性程度未知的情況（如 AFLP 分析） |
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引物濃度優(yōu)化 |
最佳濃度一般為 0.1 - 0.5μM，高濃度易導(dǎo)致非特異性擴(kuò)增 |
當(dāng)引物效率不高時，可適當(dāng)優(yōu)化濃度 |
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熱啟動 PCR |
通過抑制一種基本成分延遲 DNA 合成，直到高溫才啟動 |
適用于位點(diǎn)設(shè)計受限的情況（如定點(diǎn)突變、表達(dá)克�。� |
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鎂離子濃度優(yōu)化 |
典型起始濃度為 1.5mM，可進(jìn)行 0.5mM 遞增的濃度梯度優(yōu)化 |
對實(shí)時定量 PCR，使用 3 - 5mM 鎂離子溶液（用熒光探針時） |
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PCR 添加劑 |
DMSO、甘油、甜菜堿等可降低熔解溫度，有助于通過二級結(jié)構(gòu)區(qū) |
高 GC 含量模板等困難模板的擴(kuò)增 |
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巢式 PCR |
使用兩套引物進(jìn)行兩輪擴(kuò)增，大幅提高特異性和靈敏度 |
稀有模板的檢測（如稀有 mRNA），或困難 PCR（如 5' RACE ） |
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引物純化與保存 |
保存在 - 20℃（TE 溶解），避免反復(fù)凍干，長引物需純化除去截斷序列 |
確保引物質(zhì)量，避免因引物問題影響實(shí)驗(yàn) |
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