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不同样品核酸提取、扩增、荧光定量PCR完美解决方案 ---核酸提取攻略 北京百泰克生物技术有限公司(北京市海淀区上地信息路15号)
内容概要 不同样品RNA提取最适方法 RNA纯度与质量考察 RNA提取常见问题及解决方案 常见样品DNA提取 特殊样品DNA提取
RNA提取流程 酒精沉淀 或介质吸附 样品 裂解液 液氮研磨 或其他方法处理 抽提 离心洗涤 干燥溶解 或洗脱 细胞裂解 上层溶液
RNA提取常用方法---沉淀方法 沉淀法:异丙醇或乙醇 介质吸附法: 吸附材料 原理 硅基质 高盐低pH值结合核酸,低盐高pH值洗脱 阴离子交换树脂 低盐高pH值结合核酸,高盐低pH值洗脱 磁珠 磁性微粒挂上不同基团可吸附并携带RNA
RNA提取常用方法---裂解方式 异硫氰酸胍/苯酚法 在变性剂异硫氰酸胍的作用下,细胞被裂解,同时核蛋白体上的蛋白变性,核酸释放; 释放出来的DNA和RNA由于在特定pH下溶解度的不同而分别位于整个体系中的中间相和水相,从而得以分离; 有机溶剂抽提,沉淀,得到纯净RNA。 胍盐 /β-巯基乙醇 盐酸胍裂解样本 ,抑制 RNase 的活性 ; β-巯基乙醇变性蛋白
BioTeke的RNA提取试剂具有明显的优势 在经典试剂的基础上,不断升级。 多款高品质的RNA提取试剂: Tri pure (Trizol) RNApure(Trizol法的升级产品)
组织/细胞样品RNA提取 材料: 方法: BioTeke RNApure高纯总RNA 结果: 小鼠肝脏组织 快速提取试剂盒 0.1g样品组织 1 2 3 4 图:小鼠肝脏组织RNA
RNApure 高纯总RNA快速提取试剂 1 2 3 图片说明: 1 BioTeke RNAclean 1 2 3 图片说明: 1 BioTeke RNAclean 2 BioTeke TRIpure (TRIzol法) 3 BioTeke RNApure 离心柱型 (注:本图实验材料为植物叶片)
同一样品基因组DNA和RNA分提 原理: 根据基因组DNA和RNA在硅基质膜上的结合条件不同,用两根离心吸附柱分别提取基因组DNA和RNA。
特殊样品RNA提取---血液 图1全血样品溶解在TRI pure LS Reagent试剂后的状态 图2泳道1与2,在-80度保存一个月后的提取结果。M泳道:标准的Hela细胞RNA
多糖多酚植物样品RNA的提取 材料: 方法: 结果: 试剂盒适用范围: 松针、冬青、香蕉、木菠萝和杨树 方法: 通用植物总RNA提取试剂盒 (离心柱型) 0.1g样品组织 结果: 得率:约35-40μg 纯度:OD260/OD280=1.82-1.95 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 试剂盒适用范围: 水稻种子、小麦种子、玉米种子、高粱种子、拟南芥种子、大豆种子、苹果、葡萄、香蕉、棉花、龙眼、荔枝、各种草坪牧草植物、各种树木、各种花卉等绝大多数植物 图片说明:1、2 杨树;3、4 香蕉;5、6 松针;7、8 冬青;9 、10 木菠萝
Micro RNA提取 提取原理: 传统方法:先提取总RNA然后跑胶回收或沉淀Micro RNA。 新方法:通过裂解液裂解和酸酚分层后过柱两次,一次去除基因组DNA和大片段RNA,后一次吸附Micro RNA,然后漂洗收集。 1 2 3 4 新方法特点: 高效分离小RNA,同时分离总RNA 可用于miRNA、siRNA和snRNA的分析 适用各种来源的样品 提取时间短,约30分钟完成实验 图片说明:1、2DNA和大RNA;3、4Micro RNA (材料为小鼠肝脏组织)
RNA纯度与质量考察 生物大分子具有共轭双键,在260和280nm波长处有光吸收峰。 纯度:紫外分光光度计测定所提总RNA在260nm和280nm波长处的光吸收,以A260/A280的比值来判断总RNA的纯度。 质量:甲醛变性琼脂糖凝胶电泳鉴定。
RNA提取常见问题及解决方案 RNA 的降解 OD260 /OD280 比值偏低 电泳带型异常 下游实验效果不佳
RNA的降解 新鲜细胞或组织: 裂解液的质量 外源RNase的污染 裂解液的用量不足 组织裂解不充分 建议在液氮条件下将组织碾碎,并且匀浆时使用更多裂解液。
RNA的降解 冷冻样品: 样品取材后应立即置于液氮中速冻,然后可以移至-70℃冰箱保存。样品要相对小一点; 先用液氮研磨,再加裂解液匀浆; 样品与裂解液充分接触前避免融化,研磨用具必须预冷,研磨过程中及时补充液氮。
RNA的保护 采集样品的保护: 通常用液氮保存 样品保护剂RNAfixer,样品浸泡其中可以在37℃保存一天,25℃一周,4℃一个月,-20℃一年左右。 环境中RNase的清除: DEPC处理各种实验器具 RNAsafe对溶液中RNase进行清除。 RNA酶喷雾清除剂,可对固体表面的RNase起到清除的作用,更大程度上避免RNase的污染。
OD260 /OD280 比值偏低 蛋白质污染: 不要吸入中间层及有机相,加入氯仿后首先混匀,并且离心分层的离心力和时间要足够。 减少起始样品量,确保裂解完全、彻底 解决办法:重新抽提一次,再沉淀,溶解。 苯酚残留:
OD260 /OD280 比值偏低 抽提试剂残留: 确保洗涤时要彻底悬浮 RNA,并且彻底去掉 75% 乙醇。 解决办法:再沉淀一次后,溶解。 设备限制: 测定OD260 及OD280 数值时,要使OD260 读数在 0.10 - 0.50 之间。此范围线性最好。 用水稀释样品: 测 OD 时,对照及样品稀释液请使用 10 mM Tris,pH 7.5。用水作为稀释液将导致比值的降低。
电泳条带异常 非变性电泳: 上样量超过 3μg,电压超过 6V/cm,电泳缓冲液陈旧,均可能导致 28S 和 18S 条带分不开。 变性电泳条带变淡: EB 与单链的结合能力要差一些,故同样的上样量,变性电泳比非变性电泳要淡一些; 甲醛的质量不高 。
下游实验效果不佳(RNA降解) 抽提试剂的残留 75% 乙醇洗涤 样品中杂质的残留 多糖等杂质,再次沉淀 DNA 污染 使用RNase-Free 的 DNase I 消化抽提RNA 下游实验效果不佳(RNA降解)
不同样品基因组DNA提取 常见样品基因组DNA提取 特殊样品基因组DNA提取 DNA分离纯化中的常见问题分析
基因组DNA提取流程
BioTeke基因组DNA提取系列试剂盒综合利用上述方法 化学方法 CTAB法:适用于植物材料等。是一种阳离子去污剂,溶解细胞膜,与核酸结合。在高盐下溶解释放DNA。 SDS法:适用于血液,细胞,动物组织,细菌,酵母等 物理方法 机械剪切,超声波破碎,研磨匀浆等。易造成DNA断裂。 酶法 蛋白酶K BioTeke基因组DNA提取系列试剂盒综合利用上述方法
组织/细胞/细菌/血液基因组DNA提取 提取原理: 特点: 不需要使用有毒的氯仿、苯酚等试剂 多次柱漂洗确保高纯度;长度可达30-50Kb
(使用新型快速植物基因组DNA提取试剂盒) 提取原理: 玉米叶片基因组DNA提取 (使用新型快速植物基因组DNA提取试剂盒)
NO! 特殊样品基因组DNA提取 传统方法适用于所有材料基因组DNA的提取? 比如大量血液? 比如土壤/粪便中的微生物基因组DNA的提取?
中量/大量血液基因组DNA提取 传统方法 BioTeke创新 结果: 消化后,用酚/氯仿抽提, 时间长,损害操作人员健康 不用蛋白酶消化 不用酚/氯仿抽提 结果: 得率:约75-250μg /5mL血样 纯度:OD260/OD280=1.87-1.95 5ml全血基因组DNA提取电泳结果
土壤/粪便微生物基因组DNA提取 其他品牌试剂盒存在缺点: 采用玻璃珠或钢珠破碎,导致基因组断裂严重; 必须购买破碎专用设备,增加使用成本; BioTeke的技术创新: 采用酶法破碎,保证基因组的完整性; 用异丙醇沉淀DNA,DNA无损失。 厂家 破碎 方式 纯化 提取 时间 是否需要 专门设备 BioTeke 酶法破碎基因组完整 离心柱吸附杂质纯度高 1小时内 不需要 Q公司 钢珠破碎基因组断裂 玻璃奶同离心柱结合得率低 2小时 需要 M公司 玻璃珠破碎基因组断裂 离心柱纯化得率较低
临床样品基因组DNA提取 病毒基因组DNA提取 酵母基因组DNA提取 口腔拭子DNA提取 微量样品DNA提取 石蜡组织DNA提取
一步法DNA提取扩增 原理: 综合微量样品基因组DNA提取和高效的PCR扩增试剂。从毛发、石蜡组织等微量组织中高效提取足够浓度的DNA,然后进行PCR扩增。操作简单、方便,可对大量样品同时进行操作。
基因组DNA分离纯化中的注意事项 保证基因组DNA的完整性和纯度 提高DNA的洗脱效率 DNA的储存
基因组DNA分离纯化中的注意事项 保证基因组DNA的完整性和纯度 提高DNA的洗脱效率 DNA的储存 简化操作步骤,缩短操作时间 减少化学物质对DNA的降解,操作多在pH4-10 防止基因组DNA的生物降解:DNase
基因组DNA分离纯化中的注意事项 保证基因组DNA的完整性和纯度 提高DNA的洗脱效率 DNA的储存 洗脱液65度预热10分钟 洗脱体积不小于30μL 洗脱2次或者3次
基因组DNA分离纯化中的注意事项 保证基因组DNA的完整性和纯度 提高DNA的洗脱效率 DNA的储存 可长期储存于pH=7.0的ddH2O或TE 不易制成干品储存 分装低温保存
如何提高微量核酸提取或回收后的浓度 核酸助沉剂的应用 微量吸附柱的应用---15μl洗脱体系 质粒提取 胶回收或PCR产物回收 微量细胞/组织DNA/RNA提取 病毒DNA/RNA提取 微量临床样本DNA/RNA提取
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主要内容 RT-PCR原理 Real-time qPCR原理及应用 Real-time qPCR成功关键
中心法则与RT、PCR PCR DNA RT RNA
反转录相关因素 逆转录反应可以以随机引物、oligo(dT)或基因特异性的引物(GSP)起始。 提取RNA的质量会影响到RT的产量及cDNA的完整性。 整个过程要求无RNA酶操作。 反转录酶、RNA酶抑制剂都会对产物的质量造成一定的影响。
Super M-MLV反转录酶 Thermo M-MLV反转录酶 高效的逆转录活性,且无RNaseH活性 适合合成长片段的cDNA,有很强的模板兼容性,对高GC含量(75%以上)和结构复杂的模板效果显著 在42℃-60℃具有较好的热稳定性。
One step RT-PCR 模板: 目的片段:管家基因β-Actin 反应体系: 反应程序: 使用BioTeke公司的RNApure 总RNA提取试剂盒提取的鸡肝脏组织RNA 目的片段:管家基因β-Actin 反应体系: 反应程序:
RT-PCR相关产品 反转录酶及试剂盒系列产品讲座期间特价优惠! Thermo 系列产品买二赠一! Super M-MLV反转录酶,10000u/198元 Super RT Kit cDNA 第一链合成试剂盒50次,特价490元 Super One-step RT-PCR Kit 一步法RT-PCR试剂盒50次,特价880元 Thermo 系列产品买二赠一! Thermo M-MLV反转录酶,10000u/580元 Thermo RT Kit cDNA 第一链合成试剂盒50次,价格1200元 Thermo One-step RT-PCR Kit 一步法RT-PCR试剂盒50次,价格1400元
RT-PCR原理 Real-time qPCR原理及应用 Real-time qPCR成功关键 Real-time qPCR数据分析 Real-time qPCR常见问题及解决方案
实时荧光定量PCR技术的应用 基因表达差异分析 拷贝数分析 SNP检测 miRNA定量 转基因成分定量分析 临床诊断、疾病及药物研发等
Real-time qPCR原理 如何对初始模板定量 荧光信号如何产生? 所谓实时荧光定量PCR,就是实时监测PCR过程中每一个循环的产物的荧光信号,得到一个荧光变化曲线,以此来实现对初始模板的定量分析。对于这个定义,大家可能会问两个问题,第一个就是在PCR过程中这个荧光信号是怎样产生的;第二个就是得到荧光曲线后如何实现对初始模板的定量。关于第一个问题,我留在后面讲,但大家要记住一点,这个荧光信号与产物量是成正比的。 我先解释第二个问题。 如何对初始模板定量 荧光信号如何产生? 47
Real-Time qPCR主要概念 非探针 扩增曲线 化学原理 实时定量PCR 两个重要图形 探针 熔解曲线
Real-Time qPCR曲线的意义 扩增曲线 熔解曲线 图片为:首都医科大学演示实验结果 材料:小鼠肝脏 基因:β-actin
荧光染料和荧光探针 实时荧光定量 PCR 的化学原理包括探针类和非探针类两种。 非探针类则是利用荧光染料(如SYBR Green I)或者特殊设计的引物(如LUX Primers)来指示扩增的增加。 探针类(TaqMan探针和 分子信标)是利用与靶序列特异杂交的探针来指示扩增产物的增加。 后者由于增加了探针的识别步骤,特异性更高,但前者则简便易行。
SYBR Green I 工作原理 SYBR Green I是一种结合于小沟中的双链DNA结合染料,与双链DNA结合后,其荧光大大增强。这一性质使其用于扩增产物的检测非常理想。SYBR GreenI的最大吸收波长约为497nm ,发射波长最大约为520nm。 在PCR反应体系中,加入过量 SYBR 荧光染料,SYBR荧光染料特异性地掺入DNA双链后,发射荧光信号,而不掺入链中的 SYBR 染料分子不会发射任何荧光信号,从而保证荧光信号的增加与PCR产物的增加完全同步。
LUX 引物工作原理 LUX (light upon extention) 引物是利用荧光标记的引物实现定量的一项新技术。目标特异的引物对中的一个引物 3’ 端用荧光报告基团标记。在没有单链模板的情况下,该引物自身配对,形成发夹结构,使荧光淬灭。在有目标片断的时候,引物与模板配对,发夹结构打开,产生特异的荧光信号。
TaqMan探针工作原理 Suppression of fluorescence Primer Reporter Quencher Degradation of TaqMan probe by DNA polymerase Primer Q
分子信标(molecular beacon)工作原理 分子信标:一种在靶DNA不存在时形成茎环结构的双标记寡核苷酸探针。在此发夹结构中,位于分子一端的荧光基团与分子另一端的淬灭基团紧紧靠近。 分子信标的茎环结构中,环一般为15-30个核苷酸长,并与目标序列互补;茎一般5-7个核苷酸长,并相互配对形成茎的结构。荧光基团连接在茎臂的一端,而淬灭剂则连接于另一端。分子信标必须非常仔细的设计,以致于在复性温度下,模板不存在时形成茎环结构,模板存在时则与模板配对。与模板配对后,分子信标的构象改变使得荧光基团与淬灭剂分开。当荧光基团被激发时,它发出自身波长的光子(图5)。
荧光阈值(Threshold) Ct Ct值是扩增DNA的量达到阈值时候的循环次数。
Ct值 Ct 值与起始模板的关系研究表明,每个模板的 Ct值与该模板的起始拷贝数的对数存在线性关系,起始拷贝数越多, Ct值越小。
Real-time qPCR流程
一步法和两步法优缺点比较 根据自己需求,选择合适的方法! 一步法 两步法 优点 节省时间 稳定性好 减少污染 灵敏度高 定量相对准确 缺点 灵敏度稍差 稳定性稍差 操作稍复杂 根据自己需求,选择合适的方法!
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Real-time qPCR成功因素 引物设计: 3’末端尽量不是A; 18-24bp;扩增产物80-150bp; 设计在基因保守区内 Taqman探针:尽量靠在上游引物;长度30-45bp,Tm比引物高至少 5℃;5’端不要是G,G会有淬灭作用,影响定量 RNA质量和定量 比较好,2条主带可见(28s和18s);定量准确 内标(housekeeping gene)正确选择 18s rRNA, ß-actin, GAPDH等 标准曲线的准确制作R2=0.99
Real-time qPCR成功因素 反应体系: 小心操作: 做real-time qRT-PCR前,做个普通的PCR,检测您的反应条件! 模板浓度不要太高,反转录最多1µg总RNA, PCR一般1µL反转录产物; 引物浓度一般100nM-1mM; 根据kit要摸索最佳反应条件 小心操作: 每管或每孔都要换新枪头!不要连续用同一个枪头加样,即使是混 合液!每个样品至少要做3个平行孔。每组实验最好有3个重复,做统计 分析。 做real-time qRT-PCR前,做个普通的PCR,检测您的反应条件!
RT-PCR原理 Real-time qPCR原理及应用 Real-time qPCR成功关键 Real-time qPCR数据分析 Real-time qPCR常见问题及解决方案
Real-time qPCR数据分析 基线(baseline) 通常是3-15个循环的荧光信号 同一次反应中针对不同的基因需单独设置基线 阈值(threshold) 自动设置是3-15个循环的荧光信号的标准偏差的10倍 手动设置:置于指数扩增期,刚好可以清楚地看到荧光信号明显增强。 同一次反应中针对不同的基因可单独设置阈值, 但对于同一个基因扩增一定要用同一个阈值。 Ct值 :与起始浓度的对数成线性关系 分析定量时候一般取Ct:15-35.太大或者太小都会导致定量的不准确。
统计分析方法 绝对定量: 此方法是用一系列已知浓度的标准品制作标准曲线,在相同的条件下目的基因测得的荧光信号量同标准曲线进行比较,从而得到目的基因的量。该标准品可以是纯化的质粒DNA,体外转录的RNA,或者是体外合成的ssDNA。 相对定量: 通过与内参基因Ct值之间的相差来计算基因表达差异,一般是 2-Ct 。或者是考虑扩增效率的Pfaffl法。
绝对定量
相对定量 Marisa L. Wong and Juan F. Medrano: BioTechniques July 2005
相对定量
Real-time qRT-PCR优点 实时检测(在对数扩增时期)而不是终点检测 敏感性高 需要样品少 特异性高(Taqman) 精确定量
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常见问题讨论 特异性 重复性 灵敏度 其他问题
扩增的特异性 引物? Tm Tm,重新设计引物,优化条件
重复性---判断实验优劣的重要指标 判断指标:主要为标准差(SD)和变异系数(CV) 影响重复性的因素: PCR 反应扩增的效率:优化实验条件,使反应体系达到最佳扩增效率 。 目的基因的初始浓度: 使用初始浓度具有较高数量级的样本或作平行孔。 标准曲线的影响:不少于5个稀释度的标准品,涵盖待测样本中目的基因量可能出现的全部浓度范围;理想的标准品应与样本具有高同源性,质粒DNA 或是体外合成、转录的RNA。
影响灵敏度的因素 反应体系中形成的引物二聚体的影响 循环数 Mg2+的浓度 可以用水解探针代替SYBR Green I,有文献报导使用水解探针的敏感性要比SYBR Green I高出10倍。 可以使用热启动办法或使用特殊处理的Taq酶 要尽可能地优化引物设计 如果反应体系中出现PCR的抑制因素,应适当将目的基因的浓度稀释后再进行扩增。 注意避免室温混合各种试剂,并且在一经混合后立即开始进行扩增。 循环数 Mg2+的浓度
Q1:无Ct值(信号)出现 检测荧光信号的步骤有误: 一般SG法采用72℃延伸时采集,Taqman法则一般在退火结束时或延伸结束采集信号。 可能性不大 检测荧光信号的步骤有误: 一般SG法采用72℃延伸时采集,Taqman法则一般在退火结束时或延伸结束采集信号。 引物或探针降解: 可通过PAGE电泳检测其完整性。 模板量不足: 对未知浓度的样品应从系列稀释样本的最高浓度做起。 模板降解: 避免样品制备中杂质的引入及反复冻融的情况。
Q2:Ct值出现过晚(Ct>38) 扩增效率低: 反应条件不够优化。设计更好的引物或探针;改用三步法进行反应;适当降低退火温度;增加镁离子浓度等。 PCR各种反应成分的降解或加样量的不足。 PCR产物太长: 一般采用80-150bp的产物长度。
Q3:标准曲线的线性关系不佳 加样存在误差: 使得标准品不呈梯度。 标准品出现降解: 应避免标准品反复冻融,或重新制备并稀释标准品。 加样存在误差: 使得标准品不呈梯度。 标准品出现降解: 应避免标准品反复冻融,或重新制备并稀释标准品。 引物或探针不佳: 重新设计更好的引物和探针 模板中存在抑制物,或模板浓度过高。
Q4:阴性对照也出现明显的起飞 反应mix或水被污染。 引物二聚体的出现: 用SG法在35cycles以后阴性出现起飞属正常情况,可配合熔解曲线进行分析。 反应过程中探针的降解:用PAGE电泳对探针进行检测。 ROX校正的问题:如果使用了,则可能是ROX的降解所造成。
Q5:熔解曲线不止一个主峰 引物设计不够优化:应避免引物二聚体和发夹结构的出现。 引物浓度不佳:适当降低引物的浓度,并注意上下游引物的浓度配比。 镁离子浓度过高:适当降低镁离子浓度,或选择更合适的mix试剂盒。 模板有基因组的污染:RNA提取过程中避免基因组DNA的引入,或通过引物设计避免非特异扩增。
Q6:扩增效率低 反应试剂中部分成分特别是荧光染料降解。 反应条件不够优化:可适当降低退火温度或改为三步扩增法。 反应体系中有PCR反应抑制物:一般是加入模板时所引入,应先把模板适度稀释,再加入反应体系中,减少抑制物的影响。
Q7:同样的试剂在不同仪器上产生不同的曲 线,如何比较? 判断标准:扩增效率,灵敏度,特异性
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BioTeke Real-time qPCR产品可用于各种仪器 ABI: PRISM 7000/7700/7900HT,7300/7500 Bio-Rad: DNA Engine Option/DNA Engine Option2/Chromo4 Real time System,iCycler IQ/MyiQ/iQ5 Stratagene:Mx3000P/Mx3005P Roche: Light cycler Bioer: Line-Gene 其他各种real- time qPCR扩增仪 ROX参考染料:在荧光检测中标准化非PCR相关的震荡; 在qPCR中提供一个稳定的基线
BioTeke Real-time qPCR产品反应程序 循环数 Step 温度 时间 检测 说明 1 95℃ 2min Off 起始模板预变性 35-45 15sec 模板变性 2 60-68℃ 20-60sec On 退火/延伸 三步扩增反应 Real-time qPCR: 循环数 Step 温度 时间 检测 说明 1 95℃ 2min Off 起始模板预变性 35-45 10-20sec 模板变性 2 55-65℃ 退火 3 72℃ 20-60sec On 延伸
BioTeke Real-time qPCR产品反应程序 溶解程序:(dissociation program),扩增反应完成后的最后一步,检测扩增反应的特异性。不同仪器要求的程序稍微不同。 ABI7000的溶解程序: 循环数 Step 温度 时间 检测 1 End 55-65℃ 10-20sec On 95℃ Off
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