PCR仪（Polymerase Chain Reaction，聚合酶链式反应仪）是一种用于扩增特定DNA片段的实验设备，是分子生物学领域的核心工具。通过热循环程序和DNA聚合酶的作用，PCR仪能够在短时间内将微量DNA扩增为可检测和分析的数量。自1983年PCR技术发明以来，PCR仪成为基因研究、医学诊断、法医学等领域不可或缺的设备。

一、PCR仪的定义和功能

1. 定义

PCR仪是一种能够自动执行聚合酶链式反应的仪器。其核心功能是通过温度循环来实现DNA的变性、退火和延伸步骤，从而扩增目标DNA序列。

2. 功能

• 扩增DNA片段：将微量的DNA模板复制数百万到数十亿倍。

• 基因检测：通过扩增特定基因区域进行病原体检测或基因突变分析。

• 样本准备：为测序、克隆和其他分子生物学实验提供充足的DNA样本。

二、PCR仪的工作原理

PCR仪的工作基于PCR技术，其核心步骤包括以下三个循环反应：

1. 变性（Denaturation）

• 温度：94–98°C

• 作用：将双链DNA加热至高温，使两条链分离成单链。

• 意义：为下一步引物与单链模板结合提供条件。

2. 退火（Annealing）

• 温度：50–65°C

• 作用：引物与单链DNA模板的互补区域结合。

• 意义：引物为DNA聚合酶的延伸提供起点。

3. 延伸（Extension）

• 温度：72°C

• 作用：DNA聚合酶沿着模板链方向添加脱氧核苷酸（dNTPs），合成新的DNA链。

• 意义：完成一轮扩增。

4. 热循环

以上三个步骤构成一个完整的循环，通常重复20–40次，每个循环使目标DNA片段数量倍增。通过指数扩增，PCR反应在短时间内生成大量DNA。

三、PCR仪的组成与功能模块

1. 核心模块

1. 热循环模块

• 控制温度快速升降，实现变性、退火和延伸过程。

• 采用半导体加热技术（Peltier装置）以提高升降温速度和精度。

2. 样品槽

• 用于放置装有反应混合物的PCR管（0.2 mL或0.5 mL）。

• 通常设计为多孔板（如96孔板）以支持高通量反应。

3. 温控系统

• 实现精确的温度控制，保证每个循环步骤的准确性。

• 具有温度梯度功能，可优化退火温度。

4. 光学检测系统（qPCR仪专有）

• 实时荧光检测扩增产物。

• 通过荧光信号强度监控DNA扩增动态。

2. 软件控制

• 用户通过软件设置循环参数（温度、时间、循环次数）。

• 实时显示反应进程，并记录数据以便分析。

四、PCR仪的分类

1. 按功能分类

1. 普通PCR仪

• 仅支持标准PCR反应。

• 适合DNA扩增、基因克隆等基础实验。

2. 实时荧光定量PCR仪（qPCR仪）

• 结合荧光染料或探针，通过荧光信号实时监测DNA扩增。

• 应用于基因表达分析、病原体检测、基因突变筛查等。

3. 数字PCR仪（dPCR仪）

• 将样本分区，精确定量DNA或RNA分子。

• 应用于绝对定量分析和罕见突变检测。

2. 按通量分类

1. 低通量PCR仪

• 适合小规模实验（单个或少量样本）。

2. 高通量PCR仪

• 支持96孔、384孔甚至更高通量，适合大规模实验。

五、PCR仪的应用领域

1. 分子生物学研究

• 基因克隆：扩增基因片段用于重组和表达。

• 突变分析：检测基因突变或多态性。

2. 医学诊断

• 病原体检测：检测病毒（如新冠病毒）、细菌、寄生虫的DNA或RNA。

• 遗传病筛查：检测基因突变或缺陷。

3. 法医学

• DNA鉴定：分析犯罪现场样本（如血液、毛发）。

• 亲子鉴定：比较个体间的DNA相似性。

4. 环境监测

• 微生物检测：监测水样、土壤中的微生物。

• 污染检测：检测环境中的特定核酸标志物。

5. 农业与食品科学

• 转基因检测：检测作物或食品中的转基因成分。

• 病害检测：检测植物病原体。

六、PCR仪的主要品牌与产品

1. 国际品牌

1. Thermo Fisher Scientific

• 产品线：ProFlex、Veriti、QuantStudio系列。

• 特点：稳定性强，功能全面，支持普通PCR和qPCR。

2. Bio-Rad

• 产品线：T100、CFX系列。

• 特点：以实时荧光PCR仪闻名，数据分析软件功能强大。

3. Applied Biosystems

• 产品线：ABI系列。

• 特点：市场主流，兼容性好，广泛应用于科研和诊断。

4. Roche

• 产品线：LightCycler系列。

• 特点：适合医学诊断，速度快。

2. 国产品牌

1. 天根生化

• 提供性价比高的PCR仪，适合中小型实验室。

2. 杭州博日

• 主打实时荧光PCR仪，广泛用于临床检测。

七、如何选择PCR仪

1. 结合实验需求

• 普通PCR实验：选择基础型PCR仪。

• 基因表达或病原体定量：选择qPCR仪。

• 绝对定量或低丰度样本检测：选择dPCR仪。

2. 考虑通量

• 样本少：选择低通量设备（如单管PCR仪）。

• 大规模实验：选择支持96孔或384孔的高通量设备。

3. 功能需求

• 是否需要温度梯度功能以优化反应条件。

• 是否需要实时荧光检测功能（如qPCR仪）。

4. 预算与售后服务

• 国际品牌性能优异，但价格较高。

• 国产品牌性价比高，适合预算有限的实验室。

八、PCR仪的优势与局限

优势

1. 快速高效：数小时内即可完成DNA扩增。

2. 灵敏性强：能够检测微量DNA。

3. 广泛适用：涵盖基础研究到临床诊断。

局限

1. 污染风险：易受外源DNA污染，导致假阳性。

2. 优化复杂：引物设计和反应条件优化耗时。

3. 成本较高：qPCR仪和荧光染料价格较高。

九、PCR仪的未来发展趋势

1. 数字化与智能化

• 集成AI算法，自动优化实验条件。

2. 便携化

• 开发小型便携PCR仪，用于现场检测。

3. 多功能集成

• 集PCR扩增、测序和分析于一体，提高效率。

总结

PCR仪是现代分子生物学的关键设备，其通过精确的热循环程序实现目标DNA片段的快速扩增。无论是在科研、医学诊断、法医学还是环境监测中，PCR仪都扮演着重要角色。随着技术的不断进步，PCR仪将朝着高通量、智能化和多功能方向发展，为生命科学领域提供更多可能性。