熒光定量PCR中反應(yīng)中的Ct值全面分析
熒光定量PCR（qPCR）是目前病原檢測(cè)領(lǐng)域使用最為廣泛的核酸檢測(cè)方法（PCR檢測(cè)技術(shù)概述）。尤其是非洲豬瘟發(fā)生后，qPCR檢測(cè)得到了極大的普及，對(duì)于剛剛進(jìn)入qPCR檢測(cè)領(lǐng)域的人，很容易鉆入了“唯Ct值"的牛角尖，下面來詳細(xì)介紹qPCR中的Ct值。
1、Ct值的基本概念
閾值循環(huán)數(shù) Threshold cycle (Ct) 也寫作Cq值，熒光信號(hào)大于熒光閾值時(shí)PCR循環(huán)數(shù)。儀器軟件通常將第3-15個(gè)循環(huán)的熒光值設(shè)為基線（baseline），是由于測(cè)量的偶然誤差引起的。閾值（threshold）一般是基線的標(biāo)準(zhǔn)偏差的10倍。在實(shí)際操作中也可以手動(dòng)調(diào)節(jié)。高于閾值的熒光信號(hào)被認(rèn)為是真實(shí)的信號(hào)，用于定義Ct值。Ct會(huì)受到閾值的影響，每次試驗(yàn)由于樣品和儀器的不同會(huì)導(dǎo)致基線不同，進(jìn)而影響閾值和Ct值。
模板的Ct值與該模板的起始拷貝數(shù)的對(duì)數(shù)存在一定線性關(guān)系,起始模板量濃度越高，Ct值越��；起始模板量濃度越低，Ct值越大。PCR循環(huán)在到達(dá)Ct值所在的循環(huán)數(shù)時(shí)，剛剛進(jìn)入真正的指數(shù)擴(kuò)增期（對(duì)數(shù)期），此時(shí)微小誤差尚未放大，Ct值的重現(xiàn)性較好，即相同含量的初始模板，得到的Ct值是相對(duì)穩(wěn)定的。
Ct值不是恒定不變的，可以受到不同樣品、不同儀器的影響，即使相同的樣品在相同的儀器上重復(fù)2遍，Ct值也會(huì)存在差異。
2、Ct值的范圍
Ct值的范圍為15-35。Ct值小于15，認(rèn)為擴(kuò)增在基線期范圍內(nèi)，未達(dá)到熒光閾值。理想情況下，Ct值與模板起始拷貝數(shù)的對(duì)數(shù)存在線性關(guān)系，也就是標(biāo)準(zhǔn)曲線。通過標(biāo)準(zhǔn)曲線，擴(kuò)增效率為100%時(shí)，計(jì)算出基因單個(gè)拷貝數(shù)定量的Ct值在35左右，若大于35，理論上模板起始拷貝數(shù)小于1，可認(rèn)為無意義。
3、Ct值的影響因素
由擴(kuò)增循環(huán)數(shù)和產(chǎn)物量之間的關(guān)系：擴(kuò)增產(chǎn)物量=起始模板量×（1+En）循環(huán)個(gè)數(shù)，可以看出，在理想條件下，起始模板量和En會(huì)對(duì)Ct值產(chǎn)生影響。模板質(zhì)量或者擴(kuò)增效率的差異會(huì)造成Ct值偏大或過小。
擴(kuò)增效率Efficiency (En):通常要求在90%~110%。效率低于100%，是由于PCR反應(yīng)中存在抑制因素；而高于100%可能一些污染、非特異性擴(kuò)增或者是引物二聚體造成。
模板的Ct值與該模板的起始拷貝數(shù)的對(duì)數(shù)存在一定線性關(guān)系,起始模板量濃度越高，Ct值越�。黄鹗寄０辶繚舛仍降�，Ct值越大。PCR循環(huán)在到達(dá)Ct值所在的循環(huán)數(shù)時(shí)，剛剛進(jìn)入真正的指數(shù)擴(kuò)增期（對(duì)數(shù)期），此時(shí)微小誤差尚未放大，Ct值的重現(xiàn)性較好，即相同含量的初始模板，得到的Ct值是相對(duì)穩(wěn)定的。
Ct值不是恒定不變的，可以受到不同樣品、不同儀器的影響，即使相同的樣品在相同的儀器上重復(fù)2遍，Ct值也會(huì)存在差異。
4、與Ct值有關(guān)的參數(shù)
標(biāo)準(zhǔn)曲線Standard curve：模板的Ct值與該模板的起始拷貝數(shù)的對(duì)數(shù)存在線性關(guān)系。利用已知起始拷貝數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)品可作出標(biāo)準(zhǔn)曲線，其中橫坐標(biāo)代表起始拷貝數(shù)的對(duì)數(shù)，縱坐標(biāo)代Ct值。
相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient (R^2) ：反映了標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性，通常要求>0.99。
擴(kuò)增效率Efficiency (E):通常要求在90%~110%。效率低于100%，是由于PCR反應(yīng)中存在抑制因素；而高于100%可能一些污染、非特異性擴(kuò)增或者是引物二聚體造成。
斜率Slope ：當(dāng)擴(kuò)增效率為100%時(shí)斜率為-3.32，當(dāng)90%-110%時(shí)的斜率為-3.58 ~ -3.10。
5、Ct值與模板拷貝數(shù)的關(guān)系
理想情況下，qPCR的模板經(jīng)過一定的循環(huán)數(shù)進(jìn)行指數(shù)擴(kuò)增，擴(kuò)增循環(huán)數(shù)和產(chǎn)物量之間的關(guān)系是：擴(kuò)增產(chǎn)物量Cn=起始模板量C1×（1+擴(kuò)增效率E）^循環(huán)數(shù)n。但是由于E通常無法達(dá)到100%，并且在擴(kuò)增的后期，擴(kuò)增效率會(huì)逐漸降低，只有在理想的情況下才滿足Cn=C1×2^n，即Ct值差1，初始濃度差2倍。
由于Ct值與起始模板的對(duì)數(shù)存在線性關(guān)系，可利用標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)未知樣品進(jìn)行定量測(cè)定。這是目前的qPCR定量的方法，即用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)品與未知濃度樣品同時(shí)擴(kuò)增，將未知濃度樣品的Ct值代入該標(biāo)準(zhǔn)曲線獲得未知樣品濃度。分析定量時(shí)，一般取Ct:15-35。太大或者太小都會(huì)導(dǎo)致定量結(jié)果的不準(zhǔn)確。標(biāo)準(zhǔn)曲線需滿足：E：90%~110%，R^2≥0.99，斜率-3.58 ~ -3.10。同時(shí)定量標(biāo)準(zhǔn)品的量值需要準(zhǔn)確可靠。
用qPCR進(jìn)行定量，理論上可行，實(shí)際上很難獲得準(zhǔn)確的定量結(jié)果。
6、qPCR中Ct值的幾點(diǎn)思考
①、Ct值能否直接換算成模板拷貝數(shù)？
通過制作標(biāo)準(zhǔn)曲線（E：90%~110%，R^2≥0.99，斜率-3.58 ~ -3.10）的方法可以獲得未知樣品的初始模板拷貝數(shù)，前提是需要樣品與標(biāo)準(zhǔn)品同時(shí)擴(kuò)增，定量標(biāo)準(zhǔn)品需要使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等定量準(zhǔn)確的物質(zhì)（OD260/280換算的的拷貝數(shù)誤差很大），即使如此定值結(jié)果仍存在一定的誤差。
②、熒光定量PCR是否為定量方法？
雖然名字里有“定量”，但是qPCR的間接定量方式又復(fù)雜，又受很多因素影響，并不絕對(duì)準(zhǔn)確，在計(jì)量領(lǐng)域是不被認(rèn)可的。目前的核酸檢測(cè)方法中只有數(shù)字PCR是真正的定量檢測(cè)方法，其余的都是定性檢測(cè)方法。
③、Ct值能否作為評(píng)價(jià)qPCR試劑盒的指標(biāo)？
qPCR試劑的評(píng)價(jià)需要從分析敏感性（最低檢測(cè)限），分析特異性（交叉反應(yīng)），重復(fù)性（精密度），診斷敏感性，診斷特異性等多個(gè)指標(biāo)去衡量。僅憑Ct值的高低去判斷一個(gè)qPCR試劑盒的優(yōu)劣并不夠科學(xué)，不同試劑盒的Ct值不具有可比性。有些試劑盒采取先進(jìn)行幾個(gè)循環(huán)的預(yù)擴(kuò)增，再進(jìn)行正式循環(huán)的做法就是為了使Ct值看起來更低。
④、能否通過增加擴(kuò)增循環(huán)數(shù)來增加試劑盒的敏感性？
不能！
理論上，假設(shè)初始模板量為1個(gè)拷貝，酶的擴(kuò)增效率100%，到達(dá)最大閾值約需要35個(gè)循環(huán)，因此業(yè)內(nèi)通常認(rèn)為qPCR的有效線性范圍為Ct:15-35。通常酶的擴(kuò)增效率無法達(dá)到100%，達(dá)到1個(gè)拷貝模板的循環(huán)數(shù)可能會(huì)達(dá)到38或更高。當(dāng)酶的效率更低或者存在抑制劑時(shí)，檢測(cè)到1拷貝模板的循環(huán)數(shù)的Ct值可能會(huì)更高。
初始模板核酸濃度≤1 copies/μL時(shí)，這時(shí)的影響因素不光是你能否檢測(cè)到，還取決于你每次能取到模板的概率。因?yàn)樵诘蜐舛认�，每次取到模板的概率是服從泊松分布的�?br />
7、溫馨提示：
①、每個(gè)qPCR試劑盒在上市前通常會(huì)按照行業(yè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各種指標(biāo)的系統(tǒng)評(píng)估，試劑盒生產(chǎn)企業(yè)通常會(huì)提供這些參數(shù)供客戶進(jìn)行選擇和驗(yàn)證。檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室均具備對(duì)試劑盒進(jìn)行性能驗(yàn)證的能力。
②、一個(gè)qPCR試劑盒的核心是引物探針設(shè)計(jì)、酶、反應(yīng)體系和最優(yōu)的反應(yīng)條件，qPCR產(chǎn)品的銷售推廣工作，對(duì)營銷服務(wù)人員要求技術(shù)較高，方可規(guī)避誤導(dǎo)推廣。
③、對(duì)于檢測(cè)來說，qPCR試劑盒只是其中的一個(gè)環(huán)節(jié)。如果想得到可靠的檢測(cè)結(jié)果，還需要對(duì)采樣、運(yùn)輸、保存、處理、提取和擴(kuò)增的每個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)行質(zhì)量控制（檢測(cè)全流程質(zhì)量控制）。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)人員也不能持有，解決了qPCR試劑盒的問題就解決了檢測(cè)中所有問題的非理性觀點(diǎn)。
1、Ct值的基本概念
閾值循環(huán)數(shù) Threshold cycle (Ct) 也寫作Cq值，熒光信號(hào)大于熒光閾值時(shí)PCR循環(huán)數(shù)。儀器軟件通常將第3-15個(gè)循環(huán)的熒光值設(shè)為基線（baseline），是由于測(cè)量的偶然誤差引起的。閾值（threshold）一般是基線的標(biāo)準(zhǔn)偏差的10倍。在實(shí)際操作中也可以手動(dòng)調(diào)節(jié)。高于閾值的熒光信號(hào)被認(rèn)為是真實(shí)的信號(hào)，用于定義Ct值。Ct會(huì)受到閾值的影響，每次試驗(yàn)由于樣品和儀器的不同會(huì)導(dǎo)致基線不同，進(jìn)而影響閾值和Ct值。
模板的Ct值與該模板的起始拷貝數(shù)的對(duì)數(shù)存在一定線性關(guān)系,起始模板量濃度越高，Ct值越��；起始模板量濃度越低，Ct值越大。PCR循環(huán)在到達(dá)Ct值所在的循環(huán)數(shù)時(shí)，剛剛進(jìn)入真正的指數(shù)擴(kuò)增期（對(duì)數(shù)期），此時(shí)微小誤差尚未放大，Ct值的重現(xiàn)性較好，即相同含量的初始模板，得到的Ct值是相對(duì)穩(wěn)定的。
Ct值不是恒定不變的，可以受到不同樣品、不同儀器的影響，即使相同的樣品在相同的儀器上重復(fù)2遍，Ct值也會(huì)存在差異。
2、Ct值的范圍
Ct值的范圍為15-35。Ct值小于15，認(rèn)為擴(kuò)增在基線期范圍內(nèi)，未達(dá)到熒光閾值。理想情況下，Ct值與模板起始拷貝數(shù)的對(duì)數(shù)存在線性關(guān)系，也就是標(biāo)準(zhǔn)曲線。通過標(biāo)準(zhǔn)曲線，擴(kuò)增效率為100%時(shí)，計(jì)算出基因單個(gè)拷貝數(shù)定量的Ct值在35左右，若大于35，理論上模板起始拷貝數(shù)小于1，可認(rèn)為無意義。
3、Ct值的影響因素
由擴(kuò)增循環(huán)數(shù)和產(chǎn)物量之間的關(guān)系：擴(kuò)增產(chǎn)物量=起始模板量×（1+En）循環(huán)個(gè)數(shù)，可以看出，在理想條件下，起始模板量和En會(huì)對(duì)Ct值產(chǎn)生影響。模板質(zhì)量或者擴(kuò)增效率的差異會(huì)造成Ct值偏大或過小。
擴(kuò)增效率Efficiency (En):通常要求在90%~110%。效率低于100%，是由于PCR反應(yīng)中存在抑制因素；而高于100%可能一些污染、非特異性擴(kuò)增或者是引物二聚體造成。
模板的Ct值與該模板的起始拷貝數(shù)的對(duì)數(shù)存在一定線性關(guān)系,起始模板量濃度越高，Ct值越�。黄鹗寄０辶繚舛仍降�，Ct值越大。PCR循環(huán)在到達(dá)Ct值所在的循環(huán)數(shù)時(shí)，剛剛進(jìn)入真正的指數(shù)擴(kuò)增期（對(duì)數(shù)期），此時(shí)微小誤差尚未放大，Ct值的重現(xiàn)性較好，即相同含量的初始模板，得到的Ct值是相對(duì)穩(wěn)定的。
Ct值不是恒定不變的，可以受到不同樣品、不同儀器的影響，即使相同的樣品在相同的儀器上重復(fù)2遍，Ct值也會(huì)存在差異。
4、與Ct值有關(guān)的參數(shù)
標(biāo)準(zhǔn)曲線Standard curve：模板的Ct值與該模板的起始拷貝數(shù)的對(duì)數(shù)存在線性關(guān)系。利用已知起始拷貝數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)品可作出標(biāo)準(zhǔn)曲線，其中橫坐標(biāo)代表起始拷貝數(shù)的對(duì)數(shù)，縱坐標(biāo)代Ct值。
相關(guān)系數(shù)Correlation coefficient (R^2) ：反映了標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性，通常要求>0.99。
擴(kuò)增效率Efficiency (E):通常要求在90%~110%。效率低于100%，是由于PCR反應(yīng)中存在抑制因素；而高于100%可能一些污染、非特異性擴(kuò)增或者是引物二聚體造成。
斜率Slope ：當(dāng)擴(kuò)增效率為100%時(shí)斜率為-3.32，當(dāng)90%-110%時(shí)的斜率為-3.58 ~ -3.10。
5、Ct值與模板拷貝數(shù)的關(guān)系
理想情況下，qPCR的模板經(jīng)過一定的循環(huán)數(shù)進(jìn)行指數(shù)擴(kuò)增，擴(kuò)增循環(huán)數(shù)和產(chǎn)物量之間的關(guān)系是：擴(kuò)增產(chǎn)物量Cn=起始模板量C1×（1+擴(kuò)增效率E）^循環(huán)數(shù)n。但是由于E通常無法達(dá)到100%，并且在擴(kuò)增的后期，擴(kuò)增效率會(huì)逐漸降低，只有在理想的情況下才滿足Cn=C1×2^n，即Ct值差1，初始濃度差2倍。
由于Ct值與起始模板的對(duì)數(shù)存在線性關(guān)系，可利用標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)未知樣品進(jìn)行定量測(cè)定。這是目前的qPCR定量的方法，即用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)品與未知濃度樣品同時(shí)擴(kuò)增，將未知濃度樣品的Ct值代入該標(biāo)準(zhǔn)曲線獲得未知樣品濃度。分析定量時(shí)，一般取Ct:15-35。太大或者太小都會(huì)導(dǎo)致定量結(jié)果的不準(zhǔn)確。標(biāo)準(zhǔn)曲線需滿足：E：90%~110%，R^2≥0.99，斜率-3.58 ~ -3.10。同時(shí)定量標(biāo)準(zhǔn)品的量值需要準(zhǔn)確可靠。
用qPCR進(jìn)行定量，理論上可行，實(shí)際上很難獲得準(zhǔn)確的定量結(jié)果。
6、qPCR中Ct值的幾點(diǎn)思考
①、Ct值能否直接換算成模板拷貝數(shù)？
通過制作標(biāo)準(zhǔn)曲線（E：90%~110%，R^2≥0.99，斜率-3.58 ~ -3.10）的方法可以獲得未知樣品的初始模板拷貝數(shù)，前提是需要樣品與標(biāo)準(zhǔn)品同時(shí)擴(kuò)增，定量標(biāo)準(zhǔn)品需要使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等定量準(zhǔn)確的物質(zhì)（OD260/280換算的的拷貝數(shù)誤差很大），即使如此定值結(jié)果仍存在一定的誤差。
②、熒光定量PCR是否為定量方法？
雖然名字里有“定量”，但是qPCR的間接定量方式又復(fù)雜，又受很多因素影響，并不絕對(duì)準(zhǔn)確，在計(jì)量領(lǐng)域是不被認(rèn)可的。目前的核酸檢測(cè)方法中只有數(shù)字PCR是真正的定量檢測(cè)方法，其余的都是定性檢測(cè)方法。
③、Ct值能否作為評(píng)價(jià)qPCR試劑盒的指標(biāo)？
qPCR試劑的評(píng)價(jià)需要從分析敏感性（最低檢測(cè)限），分析特異性（交叉反應(yīng)），重復(fù)性（精密度），診斷敏感性，診斷特異性等多個(gè)指標(biāo)去衡量。僅憑Ct值的高低去判斷一個(gè)qPCR試劑盒的優(yōu)劣并不夠科學(xué)，不同試劑盒的Ct值不具有可比性。有些試劑盒采取先進(jìn)行幾個(gè)循環(huán)的預(yù)擴(kuò)增，再進(jìn)行正式循環(huán)的做法就是為了使Ct值看起來更低。
④、能否通過增加擴(kuò)增循環(huán)數(shù)來增加試劑盒的敏感性？
不能！
理論上，假設(shè)初始模板量為1個(gè)拷貝，酶的擴(kuò)增效率100%，到達(dá)最大閾值約需要35個(gè)循環(huán)，因此業(yè)內(nèi)通常認(rèn)為qPCR的有效線性范圍為Ct:15-35。通常酶的擴(kuò)增效率無法達(dá)到100%，達(dá)到1個(gè)拷貝模板的循環(huán)數(shù)可能會(huì)達(dá)到38或更高。當(dāng)酶的效率更低或者存在抑制劑時(shí)，檢測(cè)到1拷貝模板的循環(huán)數(shù)的Ct值可能會(huì)更高。
初始模板核酸濃度≤1 copies/μL時(shí)，這時(shí)的影響因素不光是你能否檢測(cè)到，還取決于你每次能取到模板的概率。因?yàn)樵诘蜐舛认�，每次取到模板的概率是服從泊松分布的�?br />
7、溫馨提示：
①、每個(gè)qPCR試劑盒在上市前通常會(huì)按照行業(yè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各種指標(biāo)的系統(tǒng)評(píng)估，試劑盒生產(chǎn)企業(yè)通常會(huì)提供這些參數(shù)供客戶進(jìn)行選擇和驗(yàn)證。檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室均具備對(duì)試劑盒進(jìn)行性能驗(yàn)證的能力。
②、一個(gè)qPCR試劑盒的核心是引物探針設(shè)計(jì)、酶、反應(yīng)體系和最優(yōu)的反應(yīng)條件，qPCR產(chǎn)品的銷售推廣工作，對(duì)營銷服務(wù)人員要求技術(shù)較高，方可規(guī)避誤導(dǎo)推廣。
③、對(duì)于檢測(cè)來說，qPCR試劑盒只是其中的一個(gè)環(huán)節(jié)。如果想得到可靠的檢測(cè)結(jié)果，還需要對(duì)采樣、運(yùn)輸、保存、處理、提取和擴(kuò)增的每個(gè)環(huán)節(jié)，進(jìn)行質(zhì)量控制（檢測(cè)全流程質(zhì)量控制）。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)人員也不能持有，解決了qPCR試劑盒的問題就解決了檢測(cè)中所有問題的非理性觀點(diǎn)。
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