荧光定量pcr法原理汇总

我们前面比较详细地介绍了荧光染料法做定量PCR的有关技术和产品，显然，作为定量PCR的初期阶段的荧光染料法还是有局限性的，比如，由于染料不能区分特异性PCR产物和引物二聚体等非特异产物，也不能区分不同探针，所以检测的特异性始终不如后来出现的探针法；需要在PCR后进行熔链曲线分析；也不能做多重PCR检测（Multiplex）。

上个世纪90年代原美国Perkin Elmer( PE)公司开发出了Taqman荧光探针定量技术，将定量PCR带入了更广阔的应用空间。Taqman探针法的出现是定量PCR技术的重要里程碑，之后在此基础上发展出了杂交探针法，以及荧光引物法，是对探针法的不断改进和简化。如果希望全面掌握定量PCR技术的研究人员就不能错过这些定量检测技术。

要提到荧光探针或者荧光引物，有一个基础概念需要首先明确，那就是荧光共振能量转移(fluorescence resonance energy transfer, FRET)：一对合适的荧光物质可以构成一个能量供体 (donor) 和能量受体 (acceptor) 对, 其中供体的发射光谱与受体的吸收光谱重叠，当它们在空间上相互接近到一定距离(1—10 nm)时，激发供体而产生的荧光能量正好被附近的受体吸收，使得供体发射的荧光强度衰减，受体荧光分子的荧光强度增强。能量传递的效率和供体的发射光谱与受体的吸收光谱的重叠程度、供体与受体的跃迁偶极的相对取向、供体与受体之间的距离等有关。定量PCR所涉及的荧光探针和荧光引物的检测都这个FRET原理相关。

实时荧光PCR中另一个很重要的概念，即Ct值.C代表循环(Cycle)，T代表阈值(Threshold).Ct值是指每个反应管内的荧光信号到达设定的阈值时所经历的循环数.。一般取PCR反应的前15个循环的荧光信号作为荧光本底信号，荧光阈值的缺省设置是3-15个循环的荧光信号的标准偏差的10倍。研究表明，每个模板的Ct值与该模板的起始拷贝数的对数存在线性关系，起始拷贝数越多，Ct值越小。利用已知起始拷贝数的标准品可做出标准曲线.因此，只要获得未知样品的Ct值，即可从标准曲线上计算出该样品的起始拷贝数。

一：水解探针法

TaqMan技术

原理：除了一对特异性引物，TaqMan探针法增加一条和模版互补的基因特异性探针（通常20—30bp），探针上5'端和3'端分别标记了一个报告荧光基团（供体）和一个淬灭荧光基团（受体），在反应初始（探针完整）时系统激发供体而产生的荧光信号被临近的淬灭基团吸收，所以此时检测不到供体荧光信号；而当PCR过程中Taq DNA聚合酶扩增到探针结合模版的位点时，其5'-3'核酸外切酶的活性（也就是切口平移）切割掉探针5'端的报告基团——游离的报告基团远离淬灭基团，打破能量的传递，激发报告基团产生的荧光信号就可以被荧光检测系统检测到。这样每扩增一条DNA链，就对应有一个游离的荧光分子（报告基团）形成，保证了荧光信号的累积与PCR产物形成完全同步，因此对荧光信号进行检测就可以实时监控PCR的过程，准确定量PCR的起始拷贝数。但是实际上探针较长使得两端基团距离较远，会导致荧光淬灭不彻底，而且淬灭基团也会产生不同波长的荧光，都会使得本底偏高.

MGB 技术原理：针对Taqman探针荧光淬灭不彻底的问题，2000年美国ABI公司推出了一种新TaqMan探针——MGB探针（minor groove binder oligodeoxynucleotide conjugate, MGB-ODN)，3'端采用了非荧光性的淬灭基因——淬灭基团吸收报告基团的能量后并不发光，大大降低了本底信号的干扰。此外，MGB探针的3'端还连接了一个二氢环化吲哚卟啉-三肽( dehydrocyclopyrroindole tripetide, DPI3)，可以大大稳定探针与模板的杂交, 升高探针Tm 值, 使较短的探针同样能达到较高的Tm 值——而短探针的荧光报告基团和淬灭基团的距离更近, 淬灭效果更好，荧光背景更低，使得信噪比更高：一个15bp的MGB 探针的信噪比大于6,优于理想状态下的25bp的普通Taqman探针（信噪比约为1.5）。允许采用更短的探针也简化了探针的设计和成本。有实验证明MGB探针对于等位基因的区分比较理想，甚至可以检测单碱基突变(因为碱基错配对较短探针的杂交稳定性影响更大)

水解探针之所以称之为水解，主要是因为它利用的是Taq酶的水解作用，使得探针上的荧光报告基团远离淬灭基团而发光信号，游离的报告基团数目对应PCR

新扩增产物，此方法检测的是积累荧光。

优点：

灵敏，特异性高：具有模版序列特异的Taqman探针在引物特异的基础上进一步提高的定量PCR的专一性；每扩增一个特异产物只释放一个分子的荧光染料，仪器检测的是特异扩增的结果，非特异产物对检测信号没有影响，有效提高检测的专一性。

有多种不同波长的荧光基团对可供选择，使得Taqman探针法可以实现在同一管内检测多重PCR，降低成本也提高效率和准确性

避免了荧光染料对PCR反应的影响

缺点：探针设计有一定难度，需要验证效果，探针的合成和双荧光标记成本高此外，也有人认为，Taqman法利用了Taq酶的外切活性，而由于各家公司出产的Taq酶对于其外切酶活性并没有做出严格的活性标定，定量PCR的效率有可能受酶外切活性的影响，酶活性差异也给定量带来了不确定性。至少，生物通定量PCR技术系列前面介绍的Stratagene 2100万美元专利之争的Fullvelocity DNA聚合酶由于去掉外切酶活性，就不能用于Taqman探针法了！

应用：Taqman技术广泛应用在人类传染病诊断和病原定量上，在动物疾病病原体基因的检测、畜禽产品的检验检疫、生物制品的鉴定以及在疫苗效力测定上等方面都有成功的许多例子。

注意：1) 探针长度应在15-45bp（最佳20-30bp)左右，以保证结合的特异性。2) GC碱基含量在40%-60% ，避免单核苷酸序列的重复。3)避免与引物发生杂交或重叠。 4)探针与模板结合的稳定程度要大于引物与模板结合的稳定程度,因此探针的Tm值要比引物的Tm 值至少高出5℃。另外，探针的浓度，探针与模板序列的同源性，探针与引物的距离都对实验结果有影响。另外，在仪器的选择上也要注意，尽量选择具有4色或以上的荧光检测通道的仪器，已保证你的机器的适用性和试剂选择的灵活性。毕竟技术是在快速发展的。

二：杂交探针法

FRE原理：罗氏专利的FRET探针又称为双杂交探针，或者LightCycle探针。