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原理是：先将含有所需扩增分析序列的靶DNA双链经热变性处理解开为两个寡聚核苷酸单链，然后加入一对根据已知DNA序列由人工合成的与所扩增的DNA两端邻近序列互补的寡聚核苷酸片段作为引物 ，即左右引物 。此引物范围就在包括所欲扩增的DNA片段 ，一般需20-30个碱基对，过少则难保持与DNA单链的结合 。引物与互补DNA结合后 ，以靶DNA单链为模板 ，经反链杂交复性（退火），在Taq DNA聚合酶的作用下以4种三磷酸脱氧核苷（dNTP）为原料按5'到3'方向将引物延伸、自动合成新的DNA链 、使DNA重新复制成双链。然后又开始第二次循环扩增 。引物在反应中不仅起引导作用 ，而且起着特异性的限制扩增DNA片段范围大小的作用 。新合成的DNA链含有引物的互补序列 ，并又可作为下一轮聚合反应的模板。如此重复上述DNA模板加热变性双链解开—引物退火复性—在DNA聚合酶作用下的引物延伸的循环过程，使每次循环延伸的模板又增加1倍，亦即扩增DNA产物增加1倍 ，经反复循环 ，使靶DNA片段指数性扩增 。
PCR的扩增倍数Y=（1+E）n,这里Y是扩增量，n为PCR的循环次数 。E为PCR循环扩增效率。设PCR扩增效率E为100% 、循环次数n=25次 ，靶DNA将扩增到33554432个拷贝 ，即扩增3355万倍：若E为80%、n=20 、则扩增数量将下降到1408865拷贝，即扩增产物约丢失93% ，若E=100% ，n=20，则扩增数量减少1048576个拷贝 ，扩增产物约减少97% 。可见PCR循环扩增效率及循环次数都对扩增数量有很大影响 。PCR扩增属于酶促反应 ，所以，DNA扩增过程遵循酶促动力学原理。靶DNA片段的扩增最初表现为直线上升 ，随着靶DNA片段的逐渐积累 ，当引物—模板/DNA/聚合酶达到一定比值时，酶的促化反应趋于饱和，此时靶DNA产物的浓度不再增加 ，即出现所谓平台效应。PCR反应达到平台期的时间主要取决于反应开始时样品中的靶DNA的含量和扩增效率 ，起始模板量越多到达平台期的时间就越短 、扩增效率越高到达平台期的时间也越短 。另外酶的含量，dNTp 浓度 ，非特异性产物的扩增都对到达平台期时间有影响 。
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