PCR 程序运行时间计算器(扩增子大小 × 延伸速率一键估算)
核心公式
PCR 程序总耗时由三部分加和:
总时间 (s) = 初始变性 + N_循环 × (变性 + 退火 + 延伸) + 末端延伸
其中每循环的延伸时间由扩增子大小和聚合酶速率共同决定:
t_延伸 = max(t_最短延伸, amplicon_bp / (rate_kb_per_min × 1000) × 60)
max(...) 保证即使扩增子极短,每循环也不低于聚合酶推荐的最短延伸时间。
算出的延伸时间向上取整到整秒:热循环仪的程序只能按整秒设置, 而且宁可多 1 秒也不要少延伸(延伸不足会掉产量,多 1 秒没有代价)。 所以 1234 bp 配 1 kb/min 得到的是 75 s,不是 74.04 s。
延伸速率数据来源
各聚合酶的预设参数均取自厂商技术手册,速率定义为「单链合成速度」:
| 聚合酶 | 延伸速率 | 最短延伸 | 参考手册 |
|---|---|---|---|
| Taq(各品牌) | 1 kb/min(60 s/kb) | 30 s | 各厂商通用规格 |
| Phusion | 2 kb/min(30 s/kb) | 15 s | Thermo Fisher F530/F531 |
| Q5 | 2 kb/min(30 s/kb) | 15 s | NEB M0491 |
| KAPA HiFi | 4 kb/min(15 s/kb) | 10 s | Roche 07958900001 |
| KOD Plus Neo | 6 kb/min(10 s/kb) | 10 s | TOYOBO KOD-401 |
速率是条件依赖的:GC 含量 ≥65%、有二级结构的模板、或低 dNTP 浓度时,实际速率可能低于标称值。曾经标定过自己模板的用户可在「自定义」里填实测速率。
适用边界
- 不含温度爬升时间(ramp rate):本工具假设各档温度瞬时到达,实际仪器存在爬升,总耗时通常比结果长 10–25%。
- 不含热盖预热等待:部分仪器在初始变性前有 2–3 min 的热盖加热,不在本工具计算范围内。
- 短片段延伸时间受最短值约束:扩增子 ≤ 500 bp 时,延伸时间通常由「最短延伸」决定,而非长度公式,速率不同的聚合酶在这一段的差异会明显缩小。
- 不做循环数优化或产量估算,只算时间。
常见错误
误用模板大小代替扩增子大小 延伸时间取决于扩增子(两条引物之间的区域)大小,与模板 DNA 全长无关。用质粒(5 kb)扩增一段 800 bp 的目的基因,延伸时间按 800 bp 算,不按 5000 bp 算。
把 Taq 的 1 min/kb 套在高保真酶上 将 Phusion 的延伸时间也设成 1 min/kb,会把每循环多浪费 30 s,30 个循环多等 15 min;反过来用 Phusion 的时间跑 Taq 会导致产量下降。更换聚合酶时一并更新延伸时间。
延伸时间凑整分钟而不看实际秒数 对 KAPA HiFi(15 s/kb)来说,2 kb 只需 30 s;如果习惯性设成 2 min,30 个循环白白多等 45 min。本工具直接输出整秒,可以照着填进热循环仪。
可以验算的算例
算例 1:Taq,2 kb 扩增子,30 个循环
条件:初始变性 300 s,变性 30 s,退火 30 s,延伸速率 1 kb/min,最短延伸 30 s,末端延伸 420 s。
t_延伸 = max(30, 2000 / (1 × 1000) × 60) = max(30, 120) = 120 s
总时间 = 300 + 30 × (30 + 30 + 120) + 420
= 300 + 5400 + 420
= 6120 s = 102 min
算例 2:Phusion,500 bp 扩增子,30 个循环
条件:初始变性 30 s,变性 10 s,退火 30 s,延伸速率 2 kb/min,最短延伸 15 s,末端延伸 120 s。
t_延伸 = max(15, 500 / (2 × 1000) × 60) = max(15, 15) = 15 s
总时间 = 30 + 30 × (10 + 30 + 15) + 120
= 30 + 1650 + 120
= 1800 s = 30 min
两个算例均可手算核对。
常见问题
计算结果比实际耗时短,为什么?
本工具按「各档温度瞬时到达」计算,不含温度爬升(ramp rate)时间。实际仪器在两档温度之间通常需要 15–30 s,Peltier 式热循环仪快(约 5°C/s),空气浴式慢(约 1–2°C/s)。跑 30 个循环相当于额外 15–30 min,实际耗时通常比计算结果长 10–25%。
换 Phusion 比 Taq 能省多少时间?
以 2 kb 扩增子、30 个循环为例:Taq 延伸 120 s/循环,Phusion 延伸 60 s/循环,差 60 s;30 循环合计省 30 min,加上 Phusion 初始变性更短(30 s 对 300 s),总程序通常缩短 35 min 左右。扩增子越长差异越大;短片段(≤ 500 bp)的延伸时间受「最短延伸」约束,差异会缩小。
末端延伸为什么通常比循环内延伸更长?
循环内的延伸时间只要能让大多数链跑完全长即可;末端延伸(final extension)要让最后几条还差一点的链补完,对 Taq 还要保证足够时间加 A 尾(用于 TA 克隆)。Taq 通常设 5–10 min,高保真酶(Phusion、Q5)设 2–5 min。
扩增子超过 5 kb,这个公式还能用吗?
公式本身不限长度,但长片段扩增对聚合酶活性和模板质量更敏感,公式结果是理论下限。超过 5 kb 时建议参考厂商的长片段方案:Taq 有时需要 2 min/kb,末端延伸也要延长到 10–15 min。本工具可以按厂商手册的参数自定义填入。