origin軟件在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合中的應(yīng)用

1、Origin軟件在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合中的應(yīng)用分子生物學(xué)摘要：Origin軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)繪圖功能，為用戶提供了全面的功能選項(xiàng)，在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)揮了重要作用。文章綜述了Origin軟件在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合分析中的應(yīng)用，并以非線性擬合求參數(shù)為例，介紹Origin8.0在該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的具體擬合方法。旨在為生物學(xué)研究者提供一定分析思路和參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：Origin軟件；生物學(xué)研究；數(shù)據(jù)擬合；實(shí)驗(yàn)繪圖Origin軟件作為一款數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)繪圖的專業(yè)軟件，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于分析化學(xué)、物理化學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域，如：化學(xué)建模、物理參數(shù)分析、酶催化反應(yīng)反應(yīng)動力學(xué)研究。其中，Origin軟件在化學(xué)

2、和物理學(xué)研究中的應(yīng)用，已有諸多學(xué)者進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，但在生物學(xué)中的應(yīng)用尚未零散，而缺乏系統(tǒng)的歸納。生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，具有極強(qiáng)的實(shí)踐性和科學(xué)性，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析有著較高的要求。特別地，在酶催化反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)求解、發(fā)酵條件優(yōu)化、細(xì)胞活性分析等實(shí)驗(yàn)處理中，一旦存在分析方法不當(dāng)，不僅產(chǎn)生誤差，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。原本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的誤差，加上數(shù)據(jù)分析處理帶來的較大誤差，往往造成實(shí)驗(yàn)效率低下。在Origin的排序、調(diào)整、統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)點(diǎn)屏蔽、頻譜變換、曲線擬合等功能中，又以曲線擬合功能的應(yīng)用較為廣泛。因而，針對Origin軟件曲線擬合功能在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的全面應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)尤其重要，可以為生物研究

3、分析方法帶去更多的參考，提供科學(xué)的數(shù)據(jù)處理依據(jù)。1Origin簡介Origin軟件是美國OriginLab公司(前身是Microcal公司)推出的，自1991年問世以來，不斷更新，直到2013年10月已更新至Origin9.0版本，但較為穩(wěn)定的為Origin8.0版本。該軟件是一款數(shù)據(jù)分析和函數(shù)繪圖的專業(yè)軟件，為用戶提供了數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)作圖、自動化操作、導(dǎo)出或打開圖形、組織項(xiàng)目、混合編程以提高效率等功能選項(xiàng)。Origin是個(gè)多文檔界面應(yīng)用程序，它將所有工作都保存在Project(*.OPJ)文件中，該文件可以包含多個(gè)子窗口，如Worksheet、Graph、Matrix、Excel等

4、，各子窗口之間是相互關(guān)聯(lián)的，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的即時(shí)更新，從工具欄的“Window”可以方便進(jìn)行子窗口間的切換；且同一個(gè)文件里可以建立多張工作表（Datal、Data2等），并作出多個(gè)數(shù)據(jù)圖（Graphl、Graph2等），還可以將所需的幾個(gè)圖合并成為一張大圖由于其簡單易學(xué)、操作靈活、功能強(qiáng)大的特性，該軟件在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)揮了重要作用，為生物學(xué)統(tǒng)計(jì)方法和技巧作了恰到好處的補(bǔ)充。1.1 線性擬合線性擬合是通過回歸分析建立y與x之間的線性統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系，一般模型為y邙+Px弋（i=1,2,，n）。其中，（x,y）表示（x,y）的第ii01iiii個(gè)觀測值，p，p為參數(shù)，p+px為反映統(tǒng)計(jì)關(guān)系直線的分量，

5、§為反映在統(tǒng)0101ii計(jì)關(guān)系直線周圍散布的隨機(jī)分量，§N（0，62）,§服從正態(tài)分布。線性擬合ii模型中分為線性回歸（basiclinearregressionmodel）、多重線性回歸（multiplelinearregressionmodel）、多項(xiàng)式回歸（polynomialregressionmodel）。Origin中的線性擬合步驟一般為：將數(shù)據(jù)輸入worksheet，然后做數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖，再通過Analysis菜單，選擇Fitlinear進(jìn)入Tool,進(jìn)行線性擬合。1.2非線性擬合非線性擬合法是一種常用的數(shù)據(jù)處理方法，通過處理結(jié)果可以非常容易和直觀地看到

6、變量之間的函數(shù)關(guān)系。一般來說，當(dāng)數(shù)據(jù)較多時(shí)Origin的非線性擬合的誤差會比Excel中“規(guī)劃求解”實(shí)現(xiàn)的非線性擬合誤差小。Origin用于從n對觀測數(shù)據(jù)：（X,y1）,（x2，y2）,（xn，yn）中確定x與y之間的關(guān)系，當(dāng)y=f（x）是線性函數(shù)時(shí)，稱為線性最小二乘擬合或直線擬合；否則，稱為非線性最小二乘擬合，即曲線擬合。曲線擬合中設(shè)因變量y和自變量x滿足：y=f（x,0）+£，求出最佳的參數(shù)0。例如：y=a+sin（bx.）+lnXc。Origin8.0中進(jìn)行非線性12擬合的一般步驟:首先將數(shù)據(jù)輸入worksheet,然后做數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖,再通過Analysis菜單，選擇Non-li

7、nearCurveFit進(jìn)入AdvancedFittingTool,進(jìn)行非線性擬合。若使用Origin內(nèi)置擬合函數(shù)，可以使用擬合向?qū)В聪驅(qū)е甘静僮骷纯?；若自定義函數(shù)，使用高級非線性擬合工具進(jìn)行擬合，所有的擬合過程都可以控制。C肖信.Origin8.0實(shí)用教程：科技作圖與數(shù)據(jù)分析J.2009.2 非線性擬合法的應(yīng)用非線性擬合法在生命科學(xué)中的應(yīng)用廣泛，在生物動力學(xué)研究、生物大分子相互作用研究、生物醫(yī)學(xué)研究、生態(tài)學(xué)光響應(yīng)曲線擬合、食品檢測等實(shí)驗(yàn)處理中起著重要作用1-3。通過非線性擬合法為實(shí)驗(yàn)所測得的大宗數(shù)據(jù)建立合適的模型，可更便捷地獲取有價(jià)值信息。2.1 應(yīng)用于生物動力學(xué)研究生物動力學(xué)是研究生物體

8、或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能及其有機(jī)聯(lián)系的內(nèi)在規(guī)律的學(xué)科，Origin非線性擬合功能在生物動力學(xué)中的應(yīng)用有利于促進(jìn)探索生命現(xiàn)象的本質(zhì)。目前，有關(guān)應(yīng)用主要基于微生物發(fā)酵動力學(xué)、分子動力學(xué)、生物膜動力學(xué)、生物流變學(xué)、微生物降解動力學(xué)等進(jìn)行分析和建模4-6。利用Origin非線性擬合功能對微生物發(fā)酵動力學(xué)研究，描述微生物菌體的生長、營養(yǎng)物質(zhì)的消耗、產(chǎn)物生成的動態(tài)平衡過程，揭示其內(nèi)在的科學(xué)規(guī)律。有研究表明在生物絮凝劑的分批發(fā)酵過程中，采用Origin數(shù)值應(yīng)用軟件對構(gòu)建的發(fā)酵動力學(xué)模型進(jìn)行非線性擬合，探究菌體生長速率和產(chǎn)物比合成速率之間的關(guān)系，確定最優(yōu)發(fā)酵條件下的最佳補(bǔ)料時(shí)間和補(bǔ)料量，來促進(jìn)產(chǎn)物的合成，提高產(chǎn)量門

9、。安仲濤等學(xué)者也利用軟件Origin8.O對谷氨酸棒桿菌生產(chǎn)生物絮凝劑的分批發(fā)酵過程進(jìn)行了動力學(xué)研究，描述了菌體的生長過程，對產(chǎn)物生成動力學(xué)進(jìn)行建模，提出了關(guān)于葡萄糖和尿素的兩個(gè)非線性基質(zhì)消耗動力學(xué)模型8。利用Origin非線性擬合功能對生物膜動力學(xué)研究，通過實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)學(xué)模型、數(shù)值模擬、圖形分析等，對生物膜中微生物動力學(xué)行為進(jìn)行剖析。將細(xì)微的現(xiàn)象與大型生產(chǎn)工藝的宏觀指標(biāo)相聯(lián)系，在廢水處理等工業(yè)中有重要應(yīng)用，形成“產(chǎn)學(xué)研結(jié)合”的良性循環(huán)模式9。在陳黎明等學(xué)者對生物膜動力學(xué)的研究現(xiàn)狀與展望中，已經(jīng)揭示生物膜動力學(xué)研究的重要意義，并有助于提高對生物膜反應(yīng)器的處理效率10。有研究在不破壞生物膜結(jié)構(gòu)的

10、基礎(chǔ)上對生物膜內(nèi)氧分布進(jìn)行測試,通過擴(kuò)散-反應(yīng)動力學(xué)分析,擬合獲得生物膜內(nèi)動力學(xué)參數(shù)為qmax=10mg(O2)/g(VSS)h,K°=1.2mg/Lii。2.2 生物分子相互作用研究生物大分子之間存在范德華力、氫鍵、鹽鍵、疏水作用力等相互作用力，不同的作用形式和程度決定了分子生物活性的多樣性。而分子作用的實(shí)際情況往往是復(fù)雜多變的，利用Origin非線性擬合法將研究中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜模型的構(gòu)建，有利于對生命體功能活動的深入認(rèn)識，為預(yù)測和掌握分子作用的動態(tài)變化提供了可能。目前，有較多的研究采用非線性擬合法研究蛋白質(zhì)與藥物分子相互作用，確定相互作用方式，計(jì)算出結(jié)合常數(shù)，結(jié)合位點(diǎn)數(shù)12。

11、在模擬生理?xiàng)l件下，有研究對乙酰氨基酚、撲熱息痛兩種藥物與人血清白蛋白（HSA）和牛血清白蛋白的相互作用進(jìn)行探討，通過擬合實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，獲得結(jié)合常數(shù)，揭示了兩種藥物生物學(xué)功能的相似性13。在牛血清白蛋白與蒽醌類化合物的結(jié)合反應(yīng)研究中，通過白蛋白與蒽醌類化合物結(jié)合的猝滅常數(shù)擬合圖形，分析有關(guān)的猝滅機(jī)理，揭示在化合物作用下，牛血清白蛋白熒光穩(wěn)定性性降低的原因14。2.3應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究隨著21世紀(jì)生物技術(shù)的飛躍發(fā)展，現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)逐漸系統(tǒng)化，為醫(yī)療診斷水平的提高作出了重大貢獻(xiàn)。生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)信息的有效分析，有利于促進(jìn)醫(yī)療醫(yī)藥開發(fā)、遺傳疾病研究、公共衛(wèi)生監(jiān)控等的應(yīng)用。目前，Origin非線性擬合法在醫(yī)學(xué)中的

12、應(yīng)用有分子結(jié)構(gòu)分析、細(xì)胞放射敏感性研究等，也可以通過曲線下面積的面積來評估藥物攝入量16。拉曼光譜在藥物分析中，常用Origin進(jìn)行特征譜帶的擬合，來鑒別物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。有學(xué)者研究，應(yīng)用拉曼光譜的半定量對生物醫(yī)學(xué)材料非晶碳薄膜的微結(jié)構(gòu)分析，利用Origin的貝斯曲線功能處理數(shù)據(jù)，擬合得到非晶碳薄膜的特征峰，并給出擬合的峰位和峰強(qiáng)值等相關(guān)數(shù)值。根據(jù)這些數(shù)值，可以判斷擬合得到的峰是否合理，以及用峰強(qiáng)比來確定薄膜的微結(jié)構(gòu)3。王瑋等人也通過拉曼光譜曲線圖分析鹽酸曲馬多藥物的結(jié)構(gòu)特征17。在對細(xì)胞放射敏感性研究中，敏感性強(qiáng)弱通過機(jī)體器官和組織對輻射反應(yīng)的強(qiáng)、弱和速度快慢來表現(xiàn)，取決于細(xì)胞分化程度、細(xì)胞增殖能

13、力、細(xì)胞所處分裂時(shí)期。實(shí)驗(yàn)中通常以細(xì)胞的存活率來判斷，這就意味著需要解決存活曲線與放射劑量擬合的問題18。目前有諸多研究已經(jīng)實(shí)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞放射敏感性與放射誘導(dǎo)凋亡關(guān)系的研究，通過擬合細(xì)胞存活曲線，確定放射性生物學(xué)參數(shù)，預(yù)測腫瘤細(xì)胞凋亡率，并探究促使腫瘤細(xì)胞放射敏感性增加的機(jī)制19-22。3 非線性擬合實(shí)例分析通過綜述非線性擬合在生命科學(xué)領(lǐng)域的諸多應(yīng)用，下面將以部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合實(shí)例分析。3.1自定義函數(shù)擬合3.1.1實(shí)例內(nèi)容已知因變量y和自變量x滿足關(guān)系式：yexp(y0+a/x+b人ln(x)。其中，y。、a、b均為未知參數(shù)。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得了五組x與y相關(guān)的數(shù)據(jù)如下：表格1X與Y的關(guān)系

14、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)x288.15293.15298.15303.15308.15y0.1290.1330.1890.2850.4333.1.2擬合分析由于因變量y和自變量x之間的函數(shù)關(guān)系式在0rigin8.0中是不存在的功能函數(shù)，首先需自定義該函數(shù)，再進(jìn)行擬合。擬合得到value值，y為-88.08164,0a為-1899.97431,b為16.30034。即求得該函數(shù)關(guān)系式的未知參數(shù)。擬合后的圖形如下：圖1自定義函數(shù)模擬結(jié)果3.2Origin內(nèi)置函數(shù)擬合3.2.1實(shí)例內(nèi)容已知因變量y和自變量x具有一定的相關(guān)性，但不知其函數(shù)模型，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，來估測其模型。根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得了五組x與y相關(guān)的數(shù)據(jù)如下

15、：表格2X與Y的關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)二x1357911y3.2593.0622.8282.6052.0701.2053.2.2擬合分析根據(jù)實(shí)驗(yàn)的前五組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，進(jìn)模擬發(fā)現(xiàn)ExpGrow1型曲線擬合效果較好，并獲得相應(yīng)參數(shù)值。ExpGrowl方程參數(shù)的回歸及誤差值如下：所以求得擬合函數(shù)為：y=3.55792-0.7724*exp(x-5.5945)/5.28666)將第6組數(shù)據(jù)中x為11的值代入上述函數(shù)中求得y值為1.411。表格3ExpGrow1方程參數(shù)的回歸及誤差值UpdateTable口|B|匚|D1Equation2Adj.R-Square0.971533ValueStandardError

16、4日3.557920.317635日5.59458BA1-0.7724Bt15.2E6662.2055710X圖2用ExpGrow1Origin內(nèi)置函數(shù)模擬結(jié)果3.3擬合注意事項(xiàng)對于一組數(shù)據(jù)，無論是作直線/平面擬合，還是做曲線/曲面擬合，一個(gè)真正有用的擬合過程必須提供：(1)擬合的參數(shù)；(2)擬合所得參數(shù)的誤差估計(jì)；(3)擬合優(yōu)度的統(tǒng)計(jì)度量。對于自定義函數(shù)的擬合中，一定要注意編程的細(xì)節(jié)問題，如下面兩張圖，第一張為小括號輸入用習(xí)慣性的數(shù)學(xué)思想，輸入了大括號來代替，編程便出現(xiàn)錯(cuò)誤，而無法實(shí)現(xiàn)模擬。但圖二的括號換為小括號即可正確完成編程，并實(shí)現(xiàn)模擬。所以在自定義函數(shù)時(shí)，一定要先對編程進(jìn)行檢查，以免出

17、現(xiàn)無法模擬而耗費(fèi)時(shí)間的問題。zX.上*11gpIz數(shù)于tes21"ME?d-C>nd&BuiMer-fnJfdla艸輻hUJTiG二|FkEdd:M&hTodsVrWwjNeb世|劇兩一回門|tT也日cit-arntoDial巧EcLtie-tid:onen-wm«sagestavithecode-Ifllxl/Beginning口十sdltablepart廠“卩-iyQZx+hA4|k!f匚JDDmpilhling.勺曲(Uylli前仏flitDlytyDacumenilOiriiginiUterFilesOriginCWLSHIDMiyDoiciu

18、innBntsOiriigiinUserFigOirigiinCyNILEIH,IDAMtyDo<HJiTiBiitEWriginUserFilcsDriginCVH-JERCumpllleFsliledd/IdcLeDdeutVariat>lei'b)z山血LeKrHDepetidencVarieJolels)sdarffllety|亡圖3錯(cuò)誤編程zCDdeBulkfer=LnMasHhohtZAa|ri)l:li|iTJ1*1-I訶屮|2FieEjJtVmvTcwbWndawHHp3”-IffX于Linking.oneli?Dmpillng._nlfdaylighl2.

19、fitDiane!7/BegltiniiLijofedlt：afcileparty-expyO+a/x+b-Ini*:-:*i/IndependentVariEihlc|a|:doiisiekz/Depende-ntVariah1*=(3):dorffileEy)圖4正確編程4 總結(jié)和展望Origin軟件為生命科學(xué)中的數(shù)據(jù)處理提供了更為科學(xué)的處理方法，目前數(shù)據(jù)擬合分析法是諸多研究領(lǐng)域所涉及的。除了上述已提到的生物動力學(xué)研究、生物大分子相互作用研究、生物醫(yī)學(xué)研究、生態(tài)學(xué)光響應(yīng)曲線擬合、食品檢測等方面的應(yīng)用外。也有學(xué)者基于Origin對酒精溶液表面張力數(shù)據(jù)處理、對精餾實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，或?qū)rigi

20、n數(shù)據(jù)處理方法引入到紅外光譜、紫外光譜、核磁共振譜等儀器分析中，輔助完成對有機(jī)結(jié)構(gòu)的分析23-25。對于這些研究，雖然主要涉及的是化學(xué)、物理領(lǐng)域，但未來將Origin數(shù)據(jù)處理的思想應(yīng)用到交叉學(xué)科中，也是能夠獲得較好的成效。參考文獻(xiàn)1 LiuZB,ChengRM,XiaoWF,etal.LightresponsecharacteristicsofphotosynthesisandmodelcomparisonofDistyliumchinenseindifferentfloodingdurationsJ.2015,26(4):1083-1090.2 DENGYun-peng,LEIJing-pi

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