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PCR的基本原理與DNA的體內複製相類似，其特異性依賴於與靶序列兩端互補的寡核苷酸引物。PCR由變性、退火和延伸三個基本反應步驟構成：
①模板DNA的變性：
模板DNA經高溫（95℃左右）加熱一定時間後，使其解離成單鏈，以便它與引物結合；
②模板DNA與引物的退火（複性）：
將溫度降至55℃左右時，引物與模板DNA單鏈按堿基互補配對的原則結合；
③引物的延伸：
再將溫度調至72℃左右（DNA聚合酶最適反應溫度），DNA模板和引物結合物在Taq DNA聚合酶的作用下，按堿基配對與半保留複製原理，沿著磷酸到五碳糖（5'→3'）的方向合成一條新的與模板DNA鏈互補的半保留複製鏈。這樣經變性、退火和延伸重複若幹個循環後，就能將待擴目的基因擴增放大幾百萬倍。
