origin软件在生物学实验数据拟合中的应用.docx
《origin软件在生物学实验数据拟合中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《origin软件在生物学实验数据拟合中的应用.docx（10页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
origin软件在生物学实验数据拟合中的应用
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、酶催化反响反响动力学研究。
其中，Origin软件在化学和物理学研究中的应用，已有诸多学者进展了详细的介绍，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根底的学科，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，在酶催化反响动力学参数求解、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展总结尤其重要，可以为生物研究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2021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、导出或翻开图形、组织工程、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，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〞可以方便进展子窗口间的切换；且同一个文件里可以建立多工作表〔Data1、Data2等〕，并作出多个数据图〔Graph1、Graph2等〕，还可以将所需的几个图合并成为一大图。
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。
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
〔i=1，2，···，n〕。
其中，〔
〕表示〔
〕的第i个观测值，
为参数，
为反映统计关系直线的分量，
为反映在统计关系直线周围散布的随机分量，
~N〔0，δ2〕，
服从正态分布。
线性拟合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，进展线性拟合。
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：
（x1，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；否那么，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，θ〕+ε，求出最正确的参数θ。
例如：
y=α+sin〔bx1〕+
。
Origin8.0中进展非线性拟合的一般步骤：
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-linearCurveFit进入AdvancedFittingTool，进展非线性拟合。
假设使用Origin置拟合函数，可以使用拟合向导，按向导指示操作即可；假设自定义函数，使用高级非线性拟合工具进展拟合，所有的拟合过程都可以控制。
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适宜的模型，可更便捷地获取有价值信息。
应用于生物动力学研究
生物动力学是研究生物体或系统的构造与功能及其有机联系的在规律的学科，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展分析和建模[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，提醒其在的科学规律。
有研究说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展非线性拟合，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正确补料时间和补料量，来促进产物的合成，提高产量[7]。
安仲涛等学者也利用软件Origin8.0对谷氨酸棒杆菌生产生物絮凝剂的分批发酵过程进展了动力学研究，描述了菌体的生长过程，对产物生成动力学进展建模，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展剖析。
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]。
在黎明等学者对生物膜动力学的研究现状与展望中，已经提醒生物膜动力学研究的重要意义，并有助于提高对生物膜反响器的处理效率[10]。
有研究在不破坏生物膜构造的根底上对生物膜氧分布进展测试,通过扩散-反响动力学分析,拟合获得生物膜动力学参数为qmax=10mg（O2）/[g（VSS）·h]，KO=1.2mg/L[11]。
生物分子相互作用研究
生物大分子之间存在德华力、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展复杂模型的构建，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]。
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展探讨，通过拟合实验模型，获得结合常数，提醒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响研究中，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，提醒在化合物作用下，牛血清白蛋白荧光稳定性性降低的原因[14]。
应用于生物医学研究
随着21世纪生物技术的飞跃开展，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奉献。
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[15]。
目前，Origin非线性拟合法在医学中的应用有分子构造分析、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进展特征谱带的拟合，来鉴别物质的构造。
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构造分析，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构造[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构造特征[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响的强、弱和速度快慢来表现，取决于细胞分化程度、细胞增殖能力、细胞所处分裂时期。
实验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，下面将以局部实验数据进展非线性拟合实例分析。
自定义函数拟合
3.1.1实例容
因变量y和自变量x满足关系式：
。
其中，y0、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的关系实验数据一
x
288.15
293.15
298.15
303.15
308.15
y
0.129
0.133
0.189
0.285
0.433
3.1.2拟合分析
由于因变量y和自变量x之间的函数关系式在Origin8.0中是不存在的功能函数，首先需自定义该函数，再进展拟合。
拟合得到value值，y0为-88.08164，a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
Origin置函数拟合
3.1.3实例容
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，通过实验数据进展拟合，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：
表格2X与Y的关系实验数据二
x
1
3
5
7
9
11
y
3.259
3.062
2.828
2.605
2.070
1.205
3.1.4拟合分析
根据实验的前五组数据进展拟合，进模拟发现ExpGrow1型曲线拟合效果较好，并获得相应参数值。
ExpGrow1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
图2用ExpGrow1Origin置函数模拟结果
拟合考前须知
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，如下面两图，第一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，一定要先对编程进展检查，以免出现无法模拟而消耗时间的问题。
图3错误编程
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对酒精溶液外表力数据处理、对精馏实验数据处理中，或将Origin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，辅助完成对有机构造的分析[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穿插学科中，也是能够获得较好的成效。
参考文献
[1]LiuZB,ChengRM,XiaoWF,etal.[LightresponsecharacteristicsofphotosynthesisandmodelparisonofDistyliumchinenseindifferentfloodingdurations][J].2021,26（4）:
1083-1090.
[2]DENGYun-peng,LEIJing-pin,etal.Modelfittingofphotosyntheticlight-responsecurvesindifferent Quercusvariabilisprovenancesanditsparameterparison.[J].cje,2021,35
（2）:
387-394.
[3]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,2021（6）.
[4]啸乾.波茨坦短芽孢杆菌降解4-氯酚与苯酚的特性及其动力学研究[D]:
理工大学,2021.
[5]唐锋.邻苯二甲酸二甲酯生物降解试验研究[D]:
大学,2006.
[6]亚萍,咸春颖,余逸男.酯皂化反响动力学实验数据的非线性拟合处理[J].实验室研究与探索,2021,32（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]:
工业大学,2021.
[8]安仲涛,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,2021,卷缺失（12）:
3071-3076.
[9]媛.生物膜分形构造形成的模拟及理论分析[D]:
XX大学,2007.
[10]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].中国环境科学,2021,28（8）:
679-682.
[12]边平凤.生物大分子与小分子相互作用研究[D]:
大学,2021.
[13].药物分子与主体和生物分子相互作用的电化学方法研究[D]:
大学,2003.
[14]毕淑云.药物与生物分子相互作用的光谱法研究[D]:
大学,2006.
[15]宁康.生物医学大数据的现状与展望[J].科学通报,2021（z1）:
534-546.
[16]苗爱东,王彦宗.应用OriginPro7.5软件计算药-时曲线下面积[J].解放军医药杂志,2021（s1）:
122-122.
[17]王玮,田京辉,晓曼,等.拉曼光谱分析盐酸曲马多的构造特征[J].中南药学,2021,08（10）:
736-739.
[18]昌明,余宏,邱建华,等.细胞放射生物学参数的分析[J].中国医药指南,2021,09（30）:
203-204.
[19]蔡迎春.CD133+肺癌细胞的放射生物学特性研究[D].大学,2021.
[20]钟军,熊戴群,罗辉,等.肿瘤细胞放射敏感性与放射诱导凋亡关系的研究[J].实用癌症杂志,2007,22（6）:
560-564.
[21]卢良杰.TLR4对肿瘤细胞放射敏感性和肿瘤免疫耐受的影响[D].大学,2021.
[22]昊宁.黄素对人鼻咽癌细胞放射增敏作用及其机制研究[D].南方医科大学,2021.
[23]胡申华.基于Origin的酒精溶液外表力数据处理[J].实验室研究与探索,2021,30（12）:
10-12.
[24]宝亮,桂萍.Origin软件在精馏实验数据处理中的应用[J].化工高等教育,2021,32
（1）:
90-93.
[25]谭江成,欣,瞻,等.物理化学实验数据处理中Origin软件的应用[J].化工,2021,44（9）:
177-179.
升级会员 