聚合酶链式反应（polymerase chain reaction），又称为无细胞分子克隆系统，简称PCR，是一种在体外模拟体内DNA复制的核酸扩增技术，以少量的DNA分子为模板，经过变性-退火-延伸的多次循环，以接近指数扩增的形式产生大量的目标DNA分子，该技术已经成为常用的及最重要的分子生物学技术之一。其应用范围从基本的基因扩增扩展到基因克隆、基因改造、传染病源分析、遗传指纹鉴定等，甚至扩展到许多非生物领域。
基本原理
PCR技术，本质上是模拟天然的DNA复制过程。即在体外进行特异性DNA扩增，在试管中经过30~40次循环，靶序列可被扩增上百万倍，因而大大提高了被检DNA量，也就提高了检出灵敏度。过去用几天、几周甚至数月才能完成的工作，通过PCR技术几小时即可完成。而且这种技术对待检标本要求也不高，从理论上讲，只要被检物中包含有一段高度保守的DNA或RNA，就可以此作为靶序列，设计引物，进行PCR扩增。PCR扩增的特异性依赖于两个寡聚核苷酸引物，这对引物位于靶DNA两侧并分别与对应DNA互补。
PCR包括三个步骤：（1）DNA热变性，通过加热使靶DNA双链解离；（2）引物复性（又称退火），当温度降低时，两个引物分别与模板DNA两条链的3’末端杂交；（3）引物延伸，在DNA聚合酶催化下，引物沿着模板DNA的3’末端向5’末端方向延伸，合成一条与模板DNA完全互补的新链。新合成的DNA双链经变性解离后又可作为模板与剩余引物杂交，合成新的靶DNA链，完成又一次循环。如此重复变性、复性及延伸三过程，使靶DNA的数量不断增加。被扩增DNA片段长度由两个引物5’末端间DNA靶序列限定。PCR扩增倍数为：设X为每次循环中模板与引物的结合率（一般为70%~100%），n为循环次数，则扩增倍数等于（1+X）的n次方。循环30次，靶DNA可被扩增1000000~10000000倍。PCR介导的体外扩增过程遵循酶的催化动力学原理，靶DNA片段扩增最初表现为直线上升，当引物、模板、DNA聚合酶达到一定比例时，酶的催化反应趋于饱和，此时靶DNA产物不再增加，即出现所谓”平台效应期“。达到平台期所需PCR循环次数取决于标本中所含靶DNA或RNA个数、PCR扩增效率和DNA聚合酶种类等因素。
进行PCR的条件及方法
进行PCR需要耐热DNA聚合酶、特异性引物、靶DNA片段、四种dNTP底物及适当的反应条件。
耐热DNA聚合酶：尽管有人曾使用大肠杆菌Klenow酶或T4聚合酶进行PCR，但每次循环后由于热变性时酶被灭活，核苷酸错配发生率较高，进行下一循环时需追加酶，因而难以进入实用。随着耐热DNA聚合酶的发现，这一问题得到了很好的解决。目前国内较普遍采用的是进口的TaqDNA聚合酶和复旦大学研制的FD DNA聚合酶。这两种酶都是从嗜热性细菌中分离的，具有类似Klenow酶的DNA聚合酶活性，可耐受高达95℃的高温而活性不受影响，适应PCR的反应环境。
引物：进行PCR必须具有两条有着3’末端羧基的人工合成脱氧寡核酸片段，分别与目的基因片段双链DNA的3’末端高度同源互补。为获得全长扩增，引物最好位于待扩增片段模板链的两端，长度以15~300bp为宜。
待扩增DNA模板：根据目的不同，可以扩增各种标本DNA或cDNA。引物的高度特异性，决定着PCR扩增产物的高度特异性，不受反应体系中无关DNA及RNA的影响，因此PCR对所扩增模板DNA的纯度要求不严，模板DNA不必经过特别纯化处理。
反应条件：PCR操作简单，但影响因素较多。想要得到好的反应结果，需根据不同的DNA模板，摸索最适条件。此外，反应体系中加入0.02%明胶或10%二甲基亚砜，以进一步减少非特异性吸附。由于反复加热，为减少水分蒸发和离子强度改变，扩增时液面上应以液体石蜡覆盖。适当的温度和时间也是影响扩增效果的重要条件。一般变性温度控制在90~95℃，时间为0.5~1分钟；复性为45~55℃，0.5~2分钟；延伸为65~75℃，1~3分钟。PCR扩增反应以30~40次循环为宜。扩增产物可通过凝胶电泳——溴化乙锭染色或通过Southern转印杂交方法确认。如需检测RNA，则采用逆转录PCR（RT-PCR），先在单引物介导和逆转录酶催化下合成RNA的cDNA，然后再进行PCR扩增。
PCR的特点
- 操作简便：随着PCR技术的完善，PCR检验已经变成十分简便的工作，精心设计的PCR试剂盒包括了某项检验所需要的一切反应材料，把它们混合后加入置有标本的反应管内，置入由电脑调控的PCR扩增仪中，扩增仪就会按设定好的程序，准确而迅速地控制反应物的温度，进行变性、复性、延伸的循环，自动完成DNA的扩增；
- 节省时间：PCR扩增每一次循环一般仅需两分钟，一般30次循环能使目的DNA扩增至百万倍，然后将PCR的产物进行电泳，即可在紫外透射仪中进行检查；
- 灵敏度高：PCR技术以指数形式扩增靶DNA，所以可把皮克（pg）量级的起始物扩增到维克（ug）量级，或放大真核细胞单拷贝基因，用PCR方法都是不难实现的。例如在用免疫法检测乙肝病毒（HBV）时，常因标本中乙肝病毒表面抗原（HBsAg）较低而检测不出，而用PCR进行检测就不会出现这种情况；
- 特异性强：作为引物的寡聚核苷酸与模板结合的正确性是决定反应物是否高特异性的关键。耐热DNA聚合酶的耐高温特性使反应中引物与模板退火的步骤可以在较高温度下进行，结合的特异性大大增加，被扩增的目的片段也能保持很高的正确程度；
- 对原始材料质量要求低:由于PCR的高灵敏度和高特异性，故仅含微量目的DNA的粗制品或者总RNA可以用来做起始材料。部分降解的DNA材料也能通过多次PCR反应，最终获得所需的全长DNA片段。