origin软件在生物学实验数据拟合中的应用

1、Origin软件在生物学实验数据拟合中的应用分子生物学摘要：Origin软件具有强大的数据分析和实验绘图功能，为用户提供了全面的功能选项，在生物学实验研究中发挥了重要作用。文章综述了Origin软件在生物学实验数据拟合分析中的应用，并以非线性拟合求参数为例，介绍Origin8.0在该实验数据处理中的具体拟合方法。旨在为生物学研究者提供一定分析思路和参考价值。关键词：Origin软件；生物学研究；数据拟合；实验绘图Origin软件作为一款数据分析和实验绘图的专业软件，已经广泛应用于分析化学、物理化学、生物学等领域，如：化学建模、物理参数分析、酶催化反应反应动力学研究。其中，Origin软件在化学

2、和物理学研究中的应用，已有诸多学者进行了详细的介绍，但在生物学中的应用尚未零散，而缺乏系统的归纳。生物学是一门以实验为基础的学科，具有极强的实践性和科学性，对实验数据处理与分析有着较高的要求。特别地，在酶催化反应动力学参数求解、发酵条件优化、细胞活性分析等实验处理中，一旦存在分析方法不当，不仅产生误差，而且费时费力。原本实验数据存在一定的误差，加上数据分析处理带来的较大误差，往往造成实验效率低下。在Origin的排序、调整、统计、数据点屏蔽、频谱变换、曲线拟合等功能中，又以曲线拟合功能的应用较为广泛。因而，针对Origin软件曲线拟合功能在生物学实验中的全面应用进行总结尤其重要，可以为生物研究

3、分析方法带去更多的参考，提供科学的数据处理依据。1Origin简介Origin软件是美国OriginLab公司(前身是Microcal公司)推出的，自1991年问世以来，不断更新，直到2013年10月已更新至Origin9.0版本，但较为稳定的为Origin8.0版本。该软件是一款数据分析和函数绘图的专业软件，为用户提供了数据导入、数据分析、数据作图、自动化操作、导出或打开图形、组织项目、混合编程以提高效率等功能选项。Origin是个多文档界面应用程序，它将所有工作都保存在Project(*.OPJ)文件中，该文件可以包含多个子窗口，如Worksheet、Graph、Matrix、Excel等

4、，各子窗口之间是相互关联的，可以实现数据的即时更新，从工具栏的“Window”可以方便进行子窗口间的切换；且同一个文件里可以建立多张工作表（Datal、Data2等），并作出多个数据图（Graphl、Graph2等），还可以将所需的几个图合并成为一张大图由于其简单易学、操作灵活、功能强大的特性，该软件在生物学实验研究中发挥了重要作用，为生物学统计方法和技巧作了恰到好处的补充。1.1 线性拟合线性拟合是通过回归分析建立y与x之间的线性统计学关系，一般模型为y邙+Px弋（i=1,2,，n）。其中，（x,y）表示（x,y）的第ii01iiii个观测值，p，p为参数，p+px为反映统计关系直线的分量，

5、§为反映在统0101ii计关系直线周围散布的随机分量，§N（0，62）,§服从正态分布。线性拟合ii模型中分为线性回归（basiclinearregressionmodel）、多重线性回归（multiplelinearregressionmodel）、多项式回归（polynomialregressionmodel）。Origin中的线性拟合步骤一般为：将数据输入worksheet，然后做数据散点图，再通过Analysis菜单，选择Fitlinear进入Tool,进行线性拟合。1.2非线性拟合非线性拟合法是一种常用的数据处理方法，通过处理结果可以非常容易和直观地看到

6、变量之间的函数关系。一般来说，当数据较多时Origin的非线性拟合的误差会比Excel中“规划求解”实现的非线性拟合误差小。Origin用于从n对观测数据：（X,y1）,（x2，y2）,（xn，yn）中确定x与y之间的关系，当y=f（x）是线性函数时，称为线性最小二乘拟合或直线拟合；否则，称为非线性最小二乘拟合，即曲线拟合。曲线拟合中设因变量y和自变量x满足：y=f（x,0）+£，求出最佳的参数0。例如：y=a+sin（bx.）+lnXc。Origin8.0中进行非线性12拟合的一般步骤:首先将数据输入worksheet,然后做数据散点图,再通过Analysis菜单，选择Non-li

7、nearCurveFit进入AdvancedFittingTool,进行非线性拟合。若使用Origin内置拟合函数，可以使用拟合向导，按向导指示操作即可；若自定义函数，使用高级非线性拟合工具进行拟合，所有的拟合过程都可以控制。C肖信.Origin8.0实用教程：科技作图与数据分析J.2009.2 非线性拟合法的应用非线性拟合法在生命科学中的应用广泛，在生物动力学研究、生物大分子相互作用研究、生物医学研究、生态学光响应曲线拟合、食品检测等实验处理中起着重要作用1-3。通过非线性拟合法为实验所测得的大宗数据建立合适的模型，可更便捷地获取有价值信息。2.1 应用于生物动力学研究生物动力学是研究生物体

8、或系统的结构与功能及其有机联系的内在规律的学科，Origin非线性拟合功能在生物动力学中的应用有利于促进探索生命现象的本质。目前，有关应用主要基于微生物发酵动力学、分子动力学、生物膜动力学、生物流变学、微生物降解动力学等进行分析和建模4-6。利用Origin非线性拟合功能对微生物发酵动力学研究，描述微生物菌体的生长、营养物质的消耗、产物生成的动态平衡过程，揭示其内在的科学规律。有研究表明在生物絮凝剂的分批发酵过程中，采用Origin数值应用软件对构建的发酵动力学模型进行非线性拟合，探究菌体生长速率和产物比合成速率之间的关系，确定最优发酵条件下的最佳补料时间和补料量，来促进产物的合成，提高产量门

9、。安仲涛等学者也利用软件Origin8.O对谷氨酸棒杆菌生产生物絮凝剂的分批发酵过程进行了动力学研究，描述了菌体的生长过程，对产物生成动力学进行建模，提出了关于葡萄糖和尿素的两个非线性基质消耗动力学模型8。利用Origin非线性拟合功能对生物膜动力学研究，通过实验研究、数学模型、数值模拟、图形分析等，对生物膜中微生物动力学行为进行剖析。将细微的现象与大型生产工艺的宏观指标相联系，在废水处理等工业中有重要应用，形成“产学研结合”的良性循环模式9。在陈黎明等学者对生物膜动力学的研究现状与展望中，已经揭示生物膜动力学研究的重要意义，并有助于提高对生物膜反应器的处理效率10。有研究在不破坏生物膜结构的

10、基础上对生物膜内氧分布进行测试,通过扩散-反应动力学分析,拟合获得生物膜内动力学参数为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间存在范德华力、氢键、盐键、疏水作用力等相互作用力，不同的作用形式和程度决定了分子生物活性的多样性。而分子作用的实际情况往往是复杂多变的，利用Origin非线性拟合法将研究中获得的数据进行复杂模型的构建，有利于对生命体功能活动的深入认识，为预测和掌握分子作用的动态变化提供了可能。目前，有较多的研究采用非线性拟合法研究蛋白质与药物分子相互作用，确定相互作用方式，计算出结合常数，结合位点数12。

11、在模拟生理条件下，有研究对乙酰氨基酚、扑热息痛两种药物与人血清白蛋白（HSA）和牛血清白蛋白的相互作用进行探讨，通过拟合实验模型，获得结合常数，揭示了两种药物生物学功能的相似性13。在牛血清白蛋白与蒽醌类化合物的结合反应研究中，通过白蛋白与蒽醌类化合物结合的猝灭常数拟合图形，分析有关的猝灭机理，揭示在化合物作用下，牛血清白蛋白荧光稳定性性降低的原因14。2.3应用于生物医学研究随着21世纪生物技术的飞跃发展，现代生物医学逐渐系统化，为医疗诊断水平的提高作出了重大贡献。生物医学数据信息的有效分析，有利于促进医疗医药开发、遗传疾病研究、公共卫生监控等的应用。目前，Origin非线性拟合法在医学中的

12、应用有分子结构分析、细胞放射敏感性研究等，也可以通过曲线下面积的面积来评估药物摄入量16。拉曼光谱在药物分析中，常用Origin进行特征谱带的拟合，来鉴别物质的结构。有学者研究，应用拉曼光谱的半定量对生物医学材料非晶碳薄膜的微结构分析，利用Origin的贝斯曲线功能处理数据，拟合得到非晶碳薄膜的特征峰，并给出拟合的峰位和峰强值等相关数值。根据这些数值，可以判断拟合得到的峰是否合理，以及用峰强比来确定薄膜的微结构3。王玮等人也通过拉曼光谱曲线图分析盐酸曲马多药物的结构特征17。在对细胞放射敏感性研究中，敏感性强弱通过机体器官和组织对辐射反应的强、弱和速度快慢来表现，取决于细胞分化程度、细胞增殖能

13、力、细胞所处分裂时期。实验中通常以细胞的存活率来判断，这就意味着需要解决存活曲线与放射剂量拟合的问题18。目前有诸多研究已经实现肿瘤细胞放射敏感性与放射诱导凋亡关系的研究，通过拟合细胞存活曲线，确定放射性生物学参数，预测肿瘤细胞凋亡率，并探究促使肿瘤细胞放射敏感性增加的机制19-22。3 非线性拟合实例分析通过综述非线性拟合在生命科学领域的诸多应用，下面将以部分实验数据进行非线性拟合实例分析。3.1自定义函数拟合3.1.1实例内容已知因变量y和自变量x满足关系式：yexp(y0+a/x+b人ln(x)。其中，y。、a、b均为未知参数。并根据实验获得了五组x与y相关的数据如下：表格1X与Y的关系

14、实验数据x288.15293.15298.15303.15308.15y0.1290.1330.1890.2850.4333.1.2拟合分析由于因变量y和自变量x之间的函数关系式在0rigin8.0中是不存在的功能函数，首先需自定义该函数，再进行拟合。拟合得到value值，y为-88.08164,0a为-1899.97431,b为16.30034。即求得该函数关系式的未知参数。拟合后的图形如下：图1自定义函数模拟结果3.2Origin内置函数拟合3.2.1实例内容已知因变量y和自变量x具有一定的相关性，但不知其函数模型，通过实验数据进行拟合，来估测其模型。根据实验获得了五组x与y相关的数据如下

15、：表格2X与Y的关系实验数据二x1357911y3.2593.0622.8282.6052.0701.2053.2.2拟合分析根据实验的前五组数据进行拟合，进模拟发现ExpGrow1型曲线拟合效果较好，并获得相应参数值。ExpGrowl方程参数的回归及误差值如下：所以求得拟合函数为：y=3.55792-0.7724*exp(x-5.5945)/5.28666)将第6组数据中x为11的值代入上述函数中求得y值为1.411。表格3ExpGrow1方程参数的回归及误差值UpdateTable口|B|匚|D1Equation2Adj.R-Square0.971533ValueStandardError

16、4日3.557920.317635日5.59458BA1-0.7724Bt15.2E6662.2055710X图2用ExpGrow1Origin内置函数模拟结果3.3拟合注意事项对于一组数据，无论是作直线/平面拟合，还是做曲线/曲面拟合，一个真正有用的拟合过程必须提供：(1)拟合的参数；(2)拟合所得参数的误差估计；(3)拟合优度的统计度量。对于自定义函数的拟合中，一定要注意编程的细节问题，如下面两张图，第一张为小括号输入用习惯性的数学思想，输入了大括号来代替，编程便出现错误，而无法实现模拟。但图二的括号换为小括号即可正确完成编程，并实现模拟。所以在自定义函数时，一定要先对编程进行检查，以免出

17、现无法模拟而耗费时间的问题。zX.上*11gpIz数于tes21"ME?d-C>nd&BuiMer-fnJfdla艸輻hUJTiG二|FkEdd:M&hTodsVrWwjNeb世|劇两一回門|tT也日cit-arntoDial巧EcLtie-tid:onen-wm«sagestavithecode-Ifllxl/Beginning口十sdltablepart厂“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|亡图3错误编程zCDdeBulkfer=LnMasHhohtZAa|ri)l:li|iTJ1*1-I诃屮|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)图4正确编程4 总结和展望Origin软件为生命科学中的数据处理提供了更为科学的处理方法，目前数据拟合分析法是诸多研究领域所涉及的。除了上述已提到的生物动力学研究、生物大分子相互作用研究、生物医学研究、生态学光响应曲线拟合、食品检测等方面的应用外。也有学者基于Origin对酒精溶液表面张力数据处理、对精馏实验数据处理中，或将Origi

20、n数据处理方法引入到红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱等仪器分析中，辅助完成对有机结构的分析23-25。对于这些研究，虽然主要涉及的是化学、物理领域，但未来将Origin数据处理的思想应用到交叉学科中，也是能够获得较好的成效。参考文献1 LiuZB,ChengRM,XiaoWF,etal.LightresponsecharacteristicsofphotosynthesisandmodelcomparisonofDistyliumchinenseindifferentfloodingdurationsJ.2015,26(4):1083-1090.2 DENGYun-peng,LEIJing-pi

21、n,etal.Modelfittingofphotosyntheticlight-responsecurvesindifferentQuercusvariabilisprovenancesanditsparametercomparison.J,cje,2016,35(2):387-394.3 李哲怡.软件Origin在生物医学工程专业学习和科研中的应用J.科园月刊，2008(6).4 李啸乾.波茨坦短芽抱杆菌降解4-氯酚与苯酚的特性及其动力学研究D:太原理工大学，2015.5 唐锋.邻苯二甲酸二甲酯生物降解试验研究D:湖南大学，2006.赵亚萍，咸春颖，余逸男.酯皂化反应动力学实验数据的非线性拟合处理J.实验室研究与探索，2013,32(3):26-30.7 王雪.生物絮凝剂混菌发酵条件优化及动力学分析D:哈尔滨工业大学,2009.8 安仲涛，李清彪，何宁，等.谷氨酸棒杆菌合成生物絮凝剂分批发酵过程的动力学模拟J.化工学报，2009,卷缺失(12):3071-3076.9 郑媛.生物膜分形结构形成的模拟及理论分析D:天津大学,2007.10 陈黎明，柴立和，CHENLiming,等.生物膜动力学的研究现状与展望J.力学进展，2005,35(3):411-416.11 邱玉琴，周小红，施汉昌，等.废水生物膜动力学参数的研究方法J