實時熒光定量PCR儀（Real-Time Quantitative PCR，qPCR儀）是一種能夠在PCR反應過程中實時監測熒光信號變化的設備，用于精確測量DNA或RNA的數量。它結合了傳統的聚合酶鏈反應（PCR）技術和熒光檢測技術，可以在PCR擴增的每一個循環過程中收集熒光信號，以此來定量分析目標DNA或RNA的起始濃度。

1. 實時熒光定量PCR的原理

實時熒光定量PCR的基本原理與傳統的PCR相似，都通過熱循環的方式進行DNA擴增。不同之處在于，實時熒光定量PCR使用熒光標記的探針或染料來監測PCR反應過程中的產物積累情況。

PCR擴增過程包括三個步驟：

• 變性：DNA雙鏈在高溫下變性成單鏈DNA。

• 退火：引物與目標DNA序列結合，準備進行擴增。

• 延伸：DNA聚合酶沿著DNA鏈合成新的DNA鏈。

在實時熒光定量PCR中，隨著DNA擴增產物的不斷增加，熒光信號也會逐漸增強。儀器通過監測這些熒光信號的變化，記錄PCR反應過程中的每一輪熒光強度，以便于實時分析DNA的積累情況。

2. 熒光探針與染料

實時熒光定量PCR依賴于熒光染料或熒光探針來標記目標DNA序列，這些熒光分子會在PCR反應過程中釋放熒光信號，信號的強度與目標DNA的數量成正比。常用的熒光探針和染料包括：

• SYBR Green：SYBR Green是一種常用的DNA染料，能夠結合雙鏈DNA并發出熒光。其優點是操作簡單，但缺點是無法區分特異性擴增產物和非特異性產物（如引物二聚體）。

• TaqMan探針：TaqMan探針是一種特異性更強的熒光探針，包含一個熒光基團和一個淬滅基團。探針在PCR反應中與目標DNA序列結合，DNA聚合酶在擴增過程中會將探針切割，導致熒光基團與淬滅基團分離，產生熒光信號。TaqMan探針具有高度特異性，適用于基因表達分析和突變檢測。

3. 實時熒光定量PCR的步驟

實時熒光定量PCR通常包括以下步驟：

1. 樣品準備：將DNA樣品、引物、熒光探針（或染料）、PCR反應緩沖液及其他必要試劑混合，準備反應體系。

2. PCR擴增：將反應體系加入PCR儀中，進行熱循環。在每個循環的末端，儀器通過光學系統測量熒光信號的強度。隨著DNA產物的增加，熒光信號也會相應增強。

3. 數據分析：儀器在每個擴增循環后會記錄熒光強度并生成擴增曲線。研究人員可以通過熒光強度與循環數（Ct值）之間的關系來定量目標DNA或RNA的濃度。

4. 實時熒光定量PCR的應用

實時熒光定量PCR廣泛應用于分子生物學、醫學、農業等多個領域，具有非常高的靈敏度和準確性。常見的應用包括：

• 基因表達分析：定量PCR能夠精確測量特定基因在不同樣本中的表達水平，用于研究基因功能、疾病機制等。

• 病原微生物檢測：實時熒光定量PCR可以檢測微量的病原DNA或RNA，常用于病毒、細菌、真菌等的檢測。例如，HIV病毒載量檢測、流感病毒檢測等。

• 突變檢測和基因拷貝數分析：通過設計特異性引物和探針，實時熒光定量PCR可以用于檢測基因突變、基因拷貝數變化以及遺傳變異分析。

• 定量分析和標準曲線生成：通過使用標準品生成標準曲線，實時熒光定量PCR能夠準確計算未知樣品中目標基因的濃度。

• 環境監測和食品安全檢測：實時熒光定量PCR可用于環境樣本和食品中的微生物檢測，如水質監測和食品中致病菌的檢測。

5. 優勢與挑戰

優勢：

• 高靈敏度：實時熒光定量PCR能夠檢測到極低濃度的DNA或RNA，適合用于微量樣品的定量分析。

• 定量準確：與傳統PCR相比，實時熒光定量PCR能夠準確地定量DNA或RNA的濃度，避免了后期凝膠電泳分析中因人為操作帶來的誤差。

• 高通量：許多實時熒光定量PCR儀器可以同時處理多個樣本，實現大規模的基因分析。

• 特異性強：使用熒光探針（如TaqMan探針）能夠提高檢測的特異性，減少非特異性擴增的影響。

• 實時監控：可以在PCR反應過程中實時監測產物的積累，不需要進行后續的凝膠電泳分析，節省時間并提高實驗效率。

挑戰：

• 成本較高：實時熒光定量PCR儀器和試劑的成本相對較高，可能對某些實驗室或研究項目造成經濟壓力。

• 試劑和設備的維護：需要定期維護和校準儀器，確保熒光信號的準確性，避免因儀器故障或試劑問題導致數據偏差。

• 數據分析復雜：盡管許多實時熒光定量PCR儀器配備了強大的數據分析軟件，但對于一些復雜的實驗設計（如多重PCR）仍然需要仔細的實驗設計和數據分析。

6. 總結

實時熒光定量PCR儀是一種集成了熒光信號監測和PCR技術的強大工具，廣泛應用于基因表達分析、突變檢測、病原微生物檢測等領域。通過實時監控PCR反應中的熒光信號，它不僅能夠定量分析DNA或RNA的數量，還能夠提供快速、精確的實驗結果。盡管其成本較高，但憑借其高靈敏度、高特異性和高通量的特點，實時熒光定量PCR儀在現代生物學研究和臨床診斷中發揮著越來越重要的作用。