实时荧光PCR技术的应用
实时荧光定量PCR的研究进展及其应用
实时荧光定量PCR的研究进展及其应用一、本文概述实时荧光定量PCR（Real-Time Quantitative PCR，简称qPCR）是一种在分子生物学领域广泛应用的分子生物学技术，它能够在PCR 扩增过程中实时监测反应产物的积累，从而精确地定量目标DNA或RNA的初始浓度。
自20世纪90年代诞生以来，qPCR技术以其高灵敏度、高特异性、快速性和定量准确等优点，在基因表达分析、病原体检测、基因型鉴定、基因突变分析、药物研发等多个领域发挥了重要作用。
随着技术的不断发展和完善，实时荧光定量PCR已成为现代生物学研究中不可或缺的工具。
本文旨在全面综述实时荧光定量PCR技术的最新研究进展，包括其原理、方法、技术优化、应用领域的拓展以及面临的挑战等。
文章首先简要介绍qPCR技术的基本原理和常用方法，然后重点论述近年来在技术优化、多重PCR、数字化PCR等方向上的进展。
接着，本文详细探讨实时荧光定量PCR在基因表达分析、病原体检测、基因型鉴定、基因突变分析、药物研发等领域的应用案例和前景。
文章还将讨论实时荧光定量PCR面临的挑战，如引物设计、数据分析等问题，并提出相应的解决方案。
通过本文的综述，读者可以对实时荧光定量PCR技术的最新进展和应用有一个全面的了解，为相关研究提供参考和借鉴。
二、实时荧光定量PCR的基本原理与技术特点实时荧光定量PCR（Real-time Fluorescent Quantitative PCR，简称qPCR）是一种在PCR扩增过程中，通过对荧光信号的实时检测，对特定DNA片段进行定量分析的技术。
其基本原理是利用荧光染料或荧光标记的特异性探针，在PCR反应过程中实时检测PCR产物量的变化，从而得到DNA模板的初始浓度。
实时性：通过荧光信号的实时检测，可以实时了解PCR产物的生成情况，无需PCR结束后进行电泳等后续操作，大大缩短了实验时间。
定量性：通过标准曲线的建立，可以准确地计算出DNA模板的初始浓度，实现了PCR的定量分析。
实时荧光定量PCR技术在细菌检测中的应用
实时荧光定量PCR技术在细菌检测中的应用实时荧光定量PCR技术（Real-time Quantitative Polymerase Chain Reaction）是一种精确、快速的检测方法，广泛应用于生物医学研究和临床诊断中。
本文将讨论实时荧光定量PCR技术在细菌检测中的应用，并介绍其原理和优势。
一、实时荧光定量PCR技术原理实时荧光定量PCR技术基于传统的PCR原理，通过不断复制并扩增DNA片段，然后采用荧光信号检测系统实时监测PCR过程中的DNA合成数量。
在PCR过程中，引物与靶DNA片段结合并引发DNA合成，同时荧光探针与靶DNA片段结合释放出荧光信号。
荧光信号量与靶DNA的初始数量成正比，通过实时监测荧光信号的强度，可以实时定量测量靶DNA的含量。
二、实时荧光定量PCR技术在细菌检测中的应用1. 快速检测细菌的存在：实时荧光定量PCR技术可以在较短的时间内检测出细菌的存在与数量。
传统的培养方法需要一定的时间来培养细菌，而实时PCR技术几乎可以立即提供结果，帮助及时采取相应的措施。
2. 检测细菌的耐药性：实时荧光定量PCR技术可以检测出细菌对抗生素的耐药性。
通过检测细菌的特定基因或突变，可以判断其对不同抗生素的敏感性，为合理使用抗生素提供指导。
3. 检测细菌的毒力：实时荧光定量PCR技术可以检测细菌的毒力相关基因，帮助研究人员判断细菌的致病能力。
4. 监测细菌感染动态：由于实时PCR技术具有快速、准确等优势，可以用于监测细菌感染的动态变化。
在临床诊断中，可以通过实时PCR技术监测患者体内细菌的数量变化，从而评估治疗效果。
三、实时荧光定量PCR技术的优势1. 高灵敏度：实时荧光定量PCR技术可以检测到非常低浓度的细菌。
在样品中只存在几个细菌时，也能够准确检测出来。
2. 高特异性：实时荧光定量PCR技术通过特异性引物和探针的设计，可确保只扩增目标细菌的DNA片段，并排除其他DNA的干扰。
3. 高准确性：实时PCR技术通过实时监测PCR过程中的荧光信号，可以快速、准确地确定细菌的存在与数量。
实时荧光定量PCR技术的原理及应用
实时荧光定量PCR技术的原理及应用在PCR扩增反应结束之后，可对扩增产物进行定性和定量的分析。
但是无论定性还是定量分析，分析的都是PCR终产物。
但是在许多情况下，我们所感兴趣的是未经PCR扩增之前的起始模板量。
例如我们想知道某一转基因动植物转基因的拷贝数或者某一特定基因在特定组织中的表达量。
在这种需求下荧光定量PCR技术应运而生。
实时荧光定量PCR技术于1996年由美国Applied Biosystems公司推出，实现了PCR从定性到定量的飞跃。
1.实时荧光定量PCR技术的基本原理在实时荧光定量PCR 反应中，引入了一种荧光化学物质，随着PCR 反应的进行，PCR 反应产物不断累计，荧光信号强度也等比例增加。
所谓实时荧光定量PCR技术，是指通过对PCR 扩增反应中每一个循环产物荧光信号的实时检测从而实现对起始模板定量及定性的分析。
每经过一个循环，收集一个荧光强度信号，这样我们就可以通过荧光强度变化监测产物量的变化，从而得到一条荧光扩增曲线。
一般而言，荧光扩增曲线扩增曲线可以分成三个阶段：荧光背景信号阶段, 荧光信号指数扩增阶段和平台期。
在荧光背景信号阶段，扩增的荧光信号被荧光背景信号所掩盖，无法判断产物量的变化。
而在平台期，扩增产物已不再呈指数级的增加，PCR 的终产物量与起始模板量之间没有线性关系，所以根据最终的PCR产物量不能计算出起始DNA 拷贝数。
只有在荧光信号指数扩增阶段，PCR 产物量的对数值与起始模板量之间存在线性关系，可以选择在这个阶段进行定量分析。
在扩增曲线中：荧光阈值(threshold)是在荧光扩增曲线上人为设定的一个值，它可以设定在荧光信号指数扩增阶段任意位置上，荧光阈值的缺省设置是3～15个循环的荧光本底信号(baseline)标准差的10倍；Ct值的含义是指在PCR循环过程中,荧光信号开始由本底进入指数增长阶段的拐点所对应的循环次数,也就是每个反应管内的荧光信号达到设定的阈值时所经历的循环次数；Rn+表示每点测量的荧光强度,代表反应管含有模板DNA ;Rn-表示荧光基线强度,代表反应管不含有模板DNA,其在理想情况下是一条平线,只具有背景荧光数值;ΔRn表示PCR过程中,探针降解的量,也即PCR产物的量；基线( baseline)是背景曲线的一段,范围为从反应开始不久荧光值开始变得稳定,到所有反应管的荧光都将要但是还未超出背景。
实时荧光定量PCR技术的原理及其应用
实时荧光定量PCR技术的原理及其应用引言实时荧光定量PCR（Polymerase Chain Reaction）技术是一种细胞遗传学和分子生物学研究中常用的分子检测技术。
它能够迅速、准确地进行DNA或RNA的定量测量，并在许多领域中广泛应用，例如基因表达分析、病原微生物检测和病毒定量等。
本文将重点介绍实时荧光定量PCR技术的原理和一些典型应用。
实时荧光定量PCR技术原理实时荧光定量PCR技术是在传统PCR反应的基础上发展而来的一种PCR变体。
其原理可以简单概括为光信号的实时检测和荧光强度的定量分析。
实时荧光定量PCR技术的具体步骤如下：1.引物与探针设计在实时荧光定量PCR反应中，合适的引物和探针设计是至关重要的。
引物用于在反应中特异性地扩增目标DNA或RNA序列，而探针则用于荧光信号的检测。
引物和探针的设计需要确保其与目标序列的亲和力和特异性，以避免非特异性扩增和假阳性结果。
2.标定曲线制备为了进行定量分析，需要事先制备一条标定曲线。
标定曲线通常是通过浓度已知的目标序列的一系列稀释样品制备的。
这些稀释样品经过PCR扩增后，荧光信号的强度与初始浓度呈线性关系。
通过测量待测样品的荧光信号强度，并利用标定曲线进行外推，可以获得目标DNA或RNA的定量结果。
3.PCR反应体系组装PCR反应体系的组装需要考虑到引物和探针的最优浓度，以及反应缓冲液、酶和模板DNA或RNA的最佳配比。
此外，反应体系中还需要加入辅助成分，如酶抑制剂和荧光染料，以提高PCR反应的特异性和灵敏度。
4.实时荧光检测及数据分析在PCR反应进行过程中，荧光信号会随着目标DNA或RNA的扩增而增强。
实时荧光定量PCR仪会实时监测和记录荧光信号的变化情况，并生成扩增曲线。
通过分析荧光信号的增长速度和荧光信号的峰值，可以确定目标DNA或RNA的起始浓度。
实时荧光定量PCR技术应用1. 基因表达分析实时荧光定量PCR技术在基因表达分析中被广泛应用。
实时荧光定量PCR(qPCR,RT-PCR)的原理及应用
病原体检测 转基因食品检测 基因表达研究 •相对定量(Relative Quantification，RQ) 基因在不同组织中的表达差异 药物疗效考核 耐药性研究
RT-PCR技术的数据分析 相对定量通过内标定量
内标（Endogenous Control） 通常是18S、28S、β-actin、GAPDH基因等看家基因
RT-PCR技术的原理及试验流程
RT-PCR技术的原理及试验流程
RT-PCR反应体系 模板 4.5μl Tag mixture 5.0μl F(F’) 0.25μl R(R’) 0.25μl
荧光染料
SYBR Green I
荧光标记的探针TaqMan探针法
RT-PCR技术的原理及试验流程
Monitoring PCR with the SYBR Green I Dye（SYBR Green 法）
克服了普通PCR：1、终点定量重复性不好 2、EB有毒，荧光太贵等缺点
实时荧光定量PCR的定义
PCR技术和荧光检测技术的结合
通过荧光染料或荧光标记的特异性探针，对PCR产物进行 标记跟踪，实时在线监控反应过程，通过仪器和相应的软 件分析结果，对待测样品的初始模板进行定量或定性分析。
RT-PCR技术的原理及试验流程
在定量PCR中，需要经过数个循环后荧光信号才能够 被检测到，一般以15个循环的荧光信号作为荧光本底 信号。
RT-PCR技术的数据分析
扣 除 背 景 荧 光 后 的 相 对 荧 光 量
如何定量？-ΔΔCt
PCR扩增循环数
2. Ct 值的定义 在荧光定量PCR技术中，有一个很重要的概念 — — Ct值。C代表Cycle，t代表threshold，Ct值的含义是： 每个反应管内的荧光信号到达设定的域值时所经历的 循环数（如图所示）。
实时荧光定量PCR的原理、操作及其应用PPT课件
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它利用荧光染料或荧光探针标记特异性引物，在PCR反应过 程中，随着DNA或RNA的扩增，荧光信号被逐渐释放，通过 检测荧光信号的强度，可以实时监测DNA或RNA的扩增量。
实时荧光定量PCR的原理概述
实时荧光定量PCR的基本原理是在PCR反应体系中加入荧光染料或荧光探针，这些荧光物质 与DNA或RNA结合后，在特定波长光的激发下产生荧光信号。
环介导等温扩增技术
在恒温条件下进行核酸扩增，具有快速、特异性强和灵敏度高等优 点。
纳米材料与PCR的结合
利用纳米材料的特性，提高PCR的检测效率和灵敏度。
提高检测灵敏度与特异性
信号放大技术
通过使用信号放大系统，提高检测信号，从而提高检测灵 敏度。
特异性引物和探针的设计
针对目标基因设计特异性引物和探针，降低非特异性扩增 和交叉污染的风险。
选择合适的内参基因
选择稳定的内参基因
01
内参基因应具有稳定的表达水平，不受实验处理的影响。
验证内参基因的稳定性
02
通过实时荧光定量PCR技术，对候选内参基因进行稳定性评估。
使用多个内参基因参基因进行数据校正。
数据解读与报告
标准化处理
对原始数据进行标准化处理，消 除不同样本间的差异。
样本处理
对样本进行破碎、离心、 提取核酸等处理，以获得 待测的DNA或RNA。
浓度和纯度测定
使用紫外分光光度计等设 备测定核酸浓度和纯度， 确保符合实验要求。
引物设计与选择
引物设计
根据目标基因序列，利用 引物设计软件进行引物设 计。
引物筛选
根据实验需求，筛选出特 异性好、扩增效率高的引 物。
专题4--中学阶段实时荧光定量PCR技术的应用
专题4 中学阶段实时荧光定量PCR技术的应用（高中阶段生物学应考、备考用）实时荧光定量PCR技术的原理：是指在PCR反应体系中加入荧光基团，利用DNA扩增过程中荧光信号的积累实时监测整个PCR进程，最后通过标准曲线对未知模板进行定量分析的方法。
优点：与普通的PCR相比，实时荧光定量PCR技术具有特异性强、灵敏度高、重复性好、定量准确、速度快、全封闭反应等优点，实现了PCR的定量分析。
这种技术具有灵敏度高，特异性好等特点。
专题破解习题精选1.为了定量测定样品中病毒核酸，常采用实时荧光PCR扩增技术，该技术扩增目的基因时，需额外添加荧光标记探针（每个目的基因结合1分子探针）。
当探针完整时，不产生荧光，当探针被Taq酶水解时，R与Q分离，可检测到R发出的荧光，如图所示。
（1）若样本中含有目的基因，引物和探针与目的基因通过形成_________（化学键）特异性结合。
据图2分析，探针的水解，发生在PCR过程_________阶段。
（2）在荧光定量PCR技术中，Ct值的含义是“每个反应管内的荧光信号达到设定的阈值时所经历的循环数”，据此分析，当样本中初始模板越多，Ct值就_________。
（3）若每分子探针水解释放的R基团荧光强度为a，加入模板DNA数为b，则反应体系中荧光信号强度（Rn）与扩增次数（n）之间的关系为：Rn=_________。
【答案】（1）氢键；延伸；（2）越小（越低）；（3）ab（2n-1）【解析】（1）引物与通过碱基互补配对结合，碱基对之间形成氢键；PCR技术包括变性、复性、延伸三个过程，据图分析，探针的水解发生在PCR子链延伸的过程中。
（2）Ct值的含义是在PCR扩增过程中，每个反应管内的荧光信号达到设定的荧光阈值时所经历的扩增循环数，初始模板越多时，达到设定的荧光阈值时所经历的扩增循环数就越小，Ct 值就越低。
高中生物学难点突破专题4 1 / 12高中生物学难点突破专题4 2 / 12（3）根据题干信息：荧光信号的累积与PCR 产物数量完全同步，计算时需要去除原来亲代的DNA 分子，若每分子探针水解释放的R 基团荧光强度为a ，初始目的基因为b 个，反应体系中荧光信号强度（Rn ）与扩增次数（n ）之间的关系为Rn=ab ×（2n -1）。
实时荧光定量pcr的原理及应用
实时荧光定量PCR的原理及应用1. 简介实时荧光定量PCR（Real-time quantitative polymerase chain reaction，简称qPCR）是一种强大的分子生物学技术，能够在同一反应体系中完成DNA扩增和定量，具有高灵敏度、高特异性和高精确性的优势。
本文将介绍实时荧光定量PCR 的原理和应用。
2. 原理实时荧光定量PCR基于传统PCR技术的基础上，引入荧光染料或探针来实时监测PCR反应过程中产生的增量扩增DNA量。
其原理如下：1.DNA模板的变性：通过加热将DNA模板的双链DNA变性成两个单链。
2.引物结合：待扩增的特定DNA序列的引物（Forward primer和Reverse primer）与模板DNA的互补序列结合。
3.DNA聚合酶扩增：DNA聚合酶沿着模板DNA链酶解附近的单链DNA，并将新的DNA链合成。
4.荧光信号监测：引入特定的荧光染料（如SYBR Green）或探针（如TaqMan探针），实时监测PCR反应体系中DNA扩增量的变化。
5.数据分析：使用特定的PCR仪器记录和分析荧光信号，根据荧光信号的变化量确定目标DNA序列的起始量。
3. 应用实时荧光定量PCR技术在许多领域中有广泛的应用，主要包括以下方面：3.1 疾病诊断与检测实时荧光定量PCR可以用于快速检测和诊断各种疾病，例如：•新型冠状病毒（COVID-19）检测•癌症标志物的检测•细菌和病毒感染的检测•遗传性疾病的检测3.2 基因表达分析实时荧光定量PCR可以用于研究基因的表达水平，包括：•基因表达差异分析•基因调控网络的研究•基因表达谱的分析•转录因子的研究3.3 环境监测实时荧光定量PCR可以应用于环境监测领域，用于检测和量化环境中的微生物和污染物，例如：•水质监测中细菌和病毒的检测•土壤中污染物降解菌的鉴定和定量•空气中微生物的检测3.4 遗传学研究实时荧光定量PCR在遗传学研究中也有广泛的应用，包括：•DNA定量和质量检测•突变检测和鉴定•群体遗传学分析•基因组学研究4. 总结实时荧光定量PCR技术是一种准确、高效、灵敏的分子生物学技术，广泛应用于医学、生物学、环境科学和农业等领域。
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实时荧光PCR技术的应用
医学检验：
基因诊断: 不同的荧光报告基团标记的探针分别与野生型和突变基因杂交，探针杂交的效率和其后的切除与杂交有关。
如果一种染料的荧光信号明显强于另一种，说明它是一个纯合子，如果荧光信号都增加则表明是一个杂合子。
刘敬忠等报道使用dsDNA结合染料SYBR Green I，结合融解曲线分析对α-地中海贫血纯合子、杂合子作出诊断[11]。
使用双色荧光标记探针，结合不同的引物设计，可以实现对某些先天性疾病的定量检测。
应用实时荧光定量PCR方法对β地中海贫血症(β地贫)患者β与γ珠蛋白mRNA水平进行检测，其结果特异性强、定量准确，为了解β地贫的分子病理机制及其临床诊断提供了可靠的检测数据。
迄今对遗传性物质改变引起的疾病还无法根治，只能通过产前监测和产前基因诊断，减少病婴出生。
因此，实时荧光定量PCR方法可用于产前监测和产前基因诊断。
肿瘤的分子诊断: 肿瘤的本质是细胞内基因发生了变化，是一种多基因异常的疾病,这些异常变化用实时荧光定量PCR方法都可以检测出来。
目前用此方法进行过端粒酶hTERT基因、慢性粒细胞性白血病ER基因、肿瘤MDR1基因等，尽管肿瘤发病的分子机制尚未完全阐明，但相关基因的遗传学改变的积累是致癌性转变的根本原因之一已得到普遍承认。
癌因的突变和表达增加,在许多肿瘤早期就出现。
实时荧光PCR技术不仅能有效地检测到基因的突变，而且可以准确检测癌基因的表达量。
如定量结直肠癌淋巴结的癌胚抗原(CEA)mRNA的表达量，可作为诊断癌症微转移的重要依据。
目前，肿瘤患者的生存期已有所延长，但是缓解期的患者仍存在复发的危险，因此，微小残留病变的检测对于进一步调整治疗方案至关重要。
实时荧光PCR技术正成为检测肿瘤微小残留分子标志的一种必备工具。
Eckert等提出采用实时荧光PCR技术检测儿童急性淋巴细胞白血病微残留病灶，对儿童急性白血病的治疗有重要指导意义。
传染病检验：
病原体的分子检测 : 目前，用此方法还进行了对人类结核杆菌、免疫缺陷病毒、肝炎病毒、流感病毒、巨细胞病毒、EB病毒等病原体的检测。
同样在国内，2004年针对Sars流行性病的检测和诊断使得荧光定量PCR技术得以应用和发展。
荧光定量PCR问世后的几年中，积累了大量有关病原体核酸量与感染性疾病发生、发展和预后之间关系的资料，这些研究资料不断丰富，将形成感染性疾病的临床分子诊断标准。
目前，实时荧光PCR技术已应用于肝病、性病以及人类免疫缺陷病毒(HIV)等各种病原体的临床诊断，为实现快速准确诊断提供了有效的检测方法。
基础研究：
基因工程: 实时荧光定量技术的出现不仅加强了有关对基因的量的研究方法，而且也加强了对基因的质所发生变化的研究。
它可以检测基因突变和基因组的不稳定性，已经被广泛应用于遗传分析
单核苷酸多态性(SNP)及突变分析 : 实时荧光定量PCR一个诱人的应用前景是用于检测基因突变和基因组的不稳定性。
基因突变的检测基于两条探针，一条探针横跨突变位点，另一条为锚定探针，与无突变位点的靶序列杂交。
两条探针用两种不同的发光基团标记，如靶序
列中无突变，探针杂交便完全配对，如有突变，则探针与靶序列不完全配对，会降低杂交体的稳定性，从而降低其熔解温度(Tm)，这样便可对突变和多态性进行分析。
转基因研究：Tesson等确定了实时定量PCR的技术条件,利用两种发光探针及适当的循环域值,扩增一个转移后的基因和一个对照基因,以分析转基因鼠的接合性[15]。
同型结合的和异质接合的动物交配后其子代中转基因的传递情况符合孟德尔遗传规律,通过实时定量PCR检测,该方法为转基因动物的同型结合及异质接合提供了明确的鉴定结果。
这项技术在转基因动物繁育及基因剂量功能效应实验中将有很大用途。
进展
自FQ-PCR方法建立以来，已被广泛应用于生物学、基础医学、疾病诊断、食品、水质环保、药物开发等领域，目前FQ-PCR的应用主要集中在病原体检测及鉴定方面。
FQ-PCR技术与传统检测技术相比具有明显优势，但也有不足之处：①不能监测扩增产物的大小。
②各实验室所用的生成标准曲线的样品各不相同，致使试验结果缺乏可比性。
③技术设备要求较高，荧光探针价格昂贵。
虽然FQ-PCR技术仍存在这些尚需改进的地方，但随着科学技术的不断发展，仪器设备和试剂费用的降低及相关知识的了解和普及FQ-PCR将成为未来分子生物学实验室必备的研究工具，在生命科学领域将得到更加广泛的应用。