PCR 热循环仪概览 | Thermo Fisher Scientific

聚合酶链反应，或PCR是一种用来将目标DNA序列扩增至百万拷贝数的常用分子生物学实验技术。由于PCR技术依赖于重复进行的热循环以进行靶标的扩增，因此热循环仪作为可自动化完成该过程的仪器，对于实验的成功可能会起到至关重要的作用。该章节涵盖了这些年来热循环仪的发展和进步。

本页内容

历史
进展

1. 早期PCR阶段的热循环仪历史

在1980年代早期的技术开始阶段，通过PCR所进行的DNA扩增是一项耗时且繁琐的过程。热循环的过程是通过手工操作的方法而进行的，主要是将DNA样品在三个设置了不同温度的大型水浴装置之间进行反复的转移，以实现变性、退火和延伸的过程。由于具有热稳定的DNA聚合酶在当时并不普遍，所使用的酶在每一轮反应之后都需要进行更换补充。

Figure 1. The first commercial thermal cycler,
the TC1 DNA Thermal Cycler.

因此，工程师们开始研究开发一种一体式的仪器（热循环仪）来实现PCR过程的自动化。第一款所开发的自动化仪器，被称为Mr. Cycle，通过使用移液处理装置和水浴解决了在每一次循环之后都需要手动添加新鲜酶的需求。在1987年，第一款商品化的热循环仪，来自Perkin Elmer Cetus的TC1 DNA热循环仪面世，通过使用金属模块因而具备了对样品进行程序性加热和冷却的能力（图1）。在1988年，在TC1热循环仪中第一次使用热稳定性酶--Taq DNA聚合酶的情况被报道[2]。这为将PCR应用于十分广泛的科学领域以及为分子生物学研究带来革命的热循环仪创新铺平了道路。

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2. 热循环仪进展所带来的PCR发展

自从TC1热循环仪面世以来，热循环仪的多项功能因各种重要技术的不断引入而实现，显著提高了PCR实验的效果。

a. 更好的样品处理

在热循环仪开发的早期，冷却系统依赖于大型的管道压缩机，使得仪器的尺寸难以得到缩小。现如今，热循环仪中所使用的固定状态的Peltier模块可通过控制电流的方向来实现加热和冷却的功能（图2）。更为先进的Peltier系统可实现更为快速的（如每秒6°C）模块加热和冷却过程，通过快速PCR 来一天内完成更多的PCR实验。

图 2. Peltier模块的基本原理 两种不同的材料（在这里是半导体）被连接时，根据不同的电流方向会产生热或发生热吸收。

类似地，热盖是现在热循环仪的一种常用功能，用于防止运行过程中PCR样品的蒸发和浓缩。在热盖被发明之前，样品会通过矿物油的覆盖来达到同样的目的。除了会造成不方便和脏乱外，矿物油的覆盖限制了可用于下游应用的样品量，因为部分样品将会被遗留下来以防止矿物油的污染。

同样，现如今许多的热循环仪设计都会考虑到样品通量的灵活性。通过可替换的模块，桌面型热循环仪可实现，例如 1到480,000个扩增反应（图3）。对于高通量的自动化过程，现在已有无需手动操作，可整合自动化移液处理的热循环仪。

图 3.适用于不同通量需求的热循环仪可替换模块。

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b. 更为精准的PCR优化

由于引物和靶标序列之间的退火过程对于成功获取PCR结果至关重要，退火温度通常都需要进行优化。为了实现对于不同温度的同时检测，梯度热模块 被开发出来，以实现在单一金属模块两端设置接近理论退火温度的高、低温（图4A）。现在也有一种“Better-than-gradient”技术，通过使用绝热的独立热模块来取代单一的模块（图4B）。这可通过更为精准的温度控制来实现更为快速的优化[3]。