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在选择PCR仪时要注意哪些参数
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1971年Kleppe等人在Journal of molecular biology上发表文章首次准确、精炼、客观的阐述了PCR方法,1976年一种从嗜热水生菌(Thermus aquaticus)分离得到的热稳定的DNA依赖的DNA聚合酶的应用大大增加了PCR的效率。而现今所发展出来的PCR则是源于由Saiki和Mullis等人于1988年发表在Science上的一篇论文。

       到如今,PCR方法愈发趋向自动化,并从中衍生出更多的新技术方法,可以说,PCR技术是支撑现代分子生物学发展的一块重要基石。这种技术的广泛应用催生了一个庞大的市场,多个公司均有各种类型的商品化PCR仪出售。

       PCR原理:DNA的半保留复制是生物进化和传代的重要途径。双链DNA在多种的作用下可以变性解链成单链,在DNA聚合酶的作用下,以单链为模版,根据碱基互补配对原则复制成新的单链,与模版配对成为双链分子拷贝。在体外实验中发现,DNA在高温时也可以发生变性解链,当温度降低后又可以复性成为双链。因此,通过温度变化控制DNA的变性和复性,并设计与模板DNA的5’端结合的两条引物,加入DNA聚合酶、dNTP就可以完成特定基因的体外复制,多次重复“变性解链-退火-合成延伸”的循环就可以以几何级数大量扩增特定的基因。而发现耐热DNA聚合酶对于PCR的应用有里程碑的意义,该类酶可以耐受90℃以上的高温而不失活,不需要每个循环加酶,使PCR技术变得非常简捷、同时也大大降低了成本,PCR技术得以大量应用,并逐步应用于临床。

       从PCR原理可以看出,PCR仪的关键是升降温的步骤。现在偶尔还能听到一些前辈们笑谈早年的PCR实验如何在3个水浴锅中完成的趣闻。经过不断改进,今天的PCR已经越来越完善和智能化。

       PCR仪的种类总体来说可以分为两大类:

       PCR扩增仪和实时荧光定量PCR仪,普通的PCR扩增仪又衍生出带梯度PCR功能的梯度PCR仪、和带原位扩增功能的原位PCR仪等等。

一、温度控制

       对普通PCR仪来说,温度控制主要是指温度的准确性、均匀性、以及升降温速度,对梯度PCR仪来说,除了温度的准确性和均匀性、升降温速度以外,还必须考虑仪器在梯度模式和标准模式下是否具有同样的温度特性。

       温度的准确性是指样品孔温度与设定温度的一致性,它直接关系到实验的成败。如果排除样品加入过程中的问题,对于PCR反应而言最重要的莫过于温度控制的准确性,由于PCR是一个几何级数扩增的过程,扩增过程中退火温度的细微变化会被放大而直接影响结果,不论是变性、退火还是延伸都需要准确控制温度,对退火温度而言温控显的尤为重要,有时1度甚至0.5度的差异也能决定实验的成功与失败,所谓差之毫厘,谬之千里。因而对PCR扩增仪而言温度控制就意味着质量。

       温度的均匀性是指样品孔间的温度差异,它关系到在不同样品孔进行反应结果的一致性。我们在实验中发现有时用同样的样品,同样的PCR反应程序,最后的结果竟然差异非常明显,或许就是因为不同位置的温度不均一性所致。一些使用过早期PCR仪的脑子格外灵光的研究人员偏爱使用PCR仪中间某几个固定的孔,就是因为过往反复的教训和认真的思索得出了这样的结论,PCR仪的温度均匀性不好,特别是最外周的样品孔情况更差,很有可能影响实验结果-即“位置的边缘效应”会影响结果的可重复性。正是这种位置效应对定量PCR的结果的影响更为明显。

       温度控制除了精确度,还有一个厂家喜欢大力宣传的指针-升降温的速度。更快的升降温速度,可以缩短反应进行的时间,而且缩短了可能的非特异性结合、反应的时间,能提高PCR反应特异性。因此从本质而言温控方式就从以前相对稳定耐用的机械式转向了升降温更快速的半导体。除了机械本身的原因,影响升降温速度的还有制作承托样品管的基座模块的材料的导热性。

       作为用户来说,当然更愿意选择升降温速度快的,这就像汽车上好看的表面配置一样容易看到,而内在的稳定性和耐用性往往是看不到的而容易被忽略。必须注意到,仪器的升降温速度和样品管中的样品的升降温速度并非同一回事,因为样品管与基座接触的紧密性、导热性、邻近样品管的相互影响都会影响样品的实际升降温速度。现在的PCR仪一般具有两种温控模式,即模块温控模式(Block-control)和反应管温控模式(tube-control)。在模块温控模式下,机器根据探测器直接探测的温控模块(即承载样品的金属台)的温度进行控制,这种模式适用于长时间的静态孵育(如连接、 切、去磷酸化等)。反应管温控模式实际上是一种仿真试管/PCR板的温控模式,根据探测器所探测到的温控模块的温度由计算器计算出管内/PCR板孔内样品液的温度来进行控制。一般说来,管温控更为准确,因为管内样品的温度无法与温控模块同时达到预设温度。特别是PCR反应中的孵育过程一般都很短暂(30秒或更短),如果采用只有模块温控模式的话,反应混合物孵育的时间与程序设定的时间会有相当大的差距。而反应管控制精确的算法能自动补偿时间,而且适合各种类型的反应管,确保反应混俣物按照程序设定的时间维持预设温度。

       梯度PCR:对于一个PCR反应,虽然有各种各样的PCR引物设计软件或者经验公式计算最适的退火温度,可是由于模版中碱基的组合千变万化,对于特殊片断,经验公式得到的数据不一定能"P"出来结果,细微的变化对结果都可能产生决定性的影响,因而“摸条件”一度是让人很头疼的问题。梯度PCR的出现部分解决了一些问题-在反应过程中每个孔的温度控制条件可以在指定范围内按照梯度变化,根据结果,一步就可以摸索出最适合的反应条件。不单退火温度,连变性温度和延伸温度都可以优化-对于多种聚合酶混合扩增来说这个非常重要,因为Taq和校正酶的最佳反应温度可能有显著差异,优化延伸温度就显得很重要。

       对于带梯度功能的PCR仪,需要考虑梯度模式下不同梯度管排间的温度均匀性和准确性,还必须考虑仪器在梯度模式和标准模式下是否具有同样的温度特性。这种差异可能导致在梯度模式下得出的最佳条件与标准模式下单独做的结果出现差异。

二、仪器的功能性和人性化设计

       热盖:现在的PCR仪一般均配备热盖,热盖温度设为105℃,使样品管顶部的温度达到105℃左右,蒸发的反应液就不会产生凝集在管盖上而改变反应体积,这样用户就无需再向反应管内加石蜡油,直接减少后继操作的麻烦。如果是旋转加压的热盖就要特别小心,因为压力到达时没有明显的提示,用户需要根据经验将热盖旋到合适位置,不太容易掌握。如果过松,热盖没有充分接触反应管而影响结果;如果过紧,则会导致反应管变形,甚至可能造成热盖的机械故障。

       样品基座:PCR反应多在0.2或者0.5的管子中进行,多数PCR仪也配备了不同的可更换样品槽适配不同的样品管。

       软件:新的PCR仪都比较注重程序编写的简易性。大屏幕,显示实时信息,倒计时,记忆存储多个程序、自动断电保护等都有助于实验室中的复杂环境使用。

       综合考虑,一台PCR仪选购的关键还是在于用户自己的要求,有些功能可能都用不上或很少用,用户需要仔细斟酌,毕竟是一分钱一分货。



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