pyEIA：基于Python的免疫测定电化学方法数据分析框架

软件X 15（2021）100720原始软件出版物pyEIA：基于Python的免疫测定电化学方法数据分析框架放大图片作者：Jonas Lynge Vishart，Jaime Castillo-León，Winnie E. SvendsenDTU生物工程，丹麦技术大学，2800，丹麦ar t i cl e i nf o文章历史记录：收到2020年收到修订版，2021年5月10日接受，2021年保留字：图形用户界面Python阻抗谱免疫分析a b st ra ct在Python中创建了一个带有Tkinter的图形用户界面（GUI），以促进循环伏安法和电化学阻抗中电化学技术的数据分析。GUI允许用户选择技术、测量，并最终自定义绘图。版权所有©2021作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY-NC-ND下的开放获取文章许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。代码元数据当前代码版本1.0.0此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-20-00057Code Ocean compute capsuleDOI：10.24433/CO.4470737 0.v1法律代码许可证https://github.com/jonadventure/Impedimetric_analysis/blob/master/LICENSE使用git的代码版本控制系统使用Python的软件代码语言、工具和服务所需软件包：Matplotlib，Numpy，Openpyxl，Os，Pandas，Pylab，Re，Scikit-learn，Scipy，Sys，Tkinter（tk）编译要求、操作环境依赖性Python、Windows、Mac OS链接到开发人员文档/手册https：//github.com/jonadventure/Impedimetric_analysis/blob/master/README.md问题支持电子邮件S174003@student.dtu.dk1. 动机和意义电化学阻抗谱（EIS）是一种非破坏性的无标记技术，用于检测抗体和抗原的高灵敏度和选择性结合。这些免疫测定在诸如生物医学检测、环境应用和质量控制的应用中是非常强大的EIS通过测量阻抗的变化来检测抗原和抗体之间的结合事件[1，2]。尽管有这些优点，EIS数据分析并不像其他电化学技术如安培法或循环伏安法那样直接。在EIS中，用户需要*通讯作者。电子邮件地址：jaic@dtu.dk（Jaime Castillo-León）.https://doi.org/10.1016/j.softx.2021.100720通过一系列步骤来提取数据、定义等效电路、拟合模型并预测最佳拟合光谱以提取物理上有意义的参数，这些参数代表在功能化电极表面发生的物理化学现象[3]。为了进行该分析，用户需要使用与特定仪器相关的商业或闭源专有软件，例如与Metrohm制造的Autolab恒电位仪一起使用的NOVA软件[4]或与PalmSens制造的恒电位仪一起使用的PSTrace [5]。电化学恒电位仪中存在的大多数可用软件允许多种电化学技术的数据分析，包括循环伏安法（CV）、EIS和安培法。大多数现有的EIS数据分析软件允许选择和分析单个实验。分析2352-7110/©2021作者。由爱思唯尔公司出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxJonas Lynge Vishart，Jaime Castillo-León和Winnie E.Svendsen软件X 15（2021）1007202=+Fig. 1. 在 EIS中使用Randles电路来提取抗蚀剂转移电荷值Rp。Rp表示为RCTRpZW、WE对应于工作电极，Cd表示双电层图二. 表示不同频率下阻抗谱的Nyquist图。在该图中，示出了Rs值、溶液并比较多个实验，用户需要执行每个实验的数据分析并叠加所获得的数据。此外，在一些拟合步骤中，用户需要选择软件将使用哪些点来执行拟合。让用户选择这些点会增加偏差并影响结果。Rech及其同事开发了一种用于阻抗谱（IS）分析的GUI[6]。该脚本允许用户控制仪器进行阻抗测量。此外，它还具有分析功能，但与NOVA软件的情况一样，分析是在一次测量的情况下进行的。用于阻抗数据分析的其他可用软件也可用[7该软件可用于EIS测量所描述的兰德尔电路图。 1或ECS测量，其中测量图类似于图1。 二、图2显示了用于表示阻抗谱的奈奎斯特图。在该图中，椭圆的直径表示Randles回路中包含的RCT值的大小圆直径给出了RCT值的概念。本文旨在通过允许用户比较几个实验来促进分析，而不需要单独绘制和覆盖对应于单个实验的每个图。这里描述的软件提供了一个GUI，允许多个文件选择和一次对所有选择进行简单分析。图三. 在Tkinter中创建了图形用户界面（GUI），可以轻松选择和定制多个选定文件2. 软件描述脚本是用编程语言Python编写的。最初独立的分析脚本都被合并到一个脚本impedimetric_analysis.py中，用户可以通过界面选择分析类型。 该脚本旨在使数据分析更有效，并避免人为偏见。因此，所有逐步的手动选择都被自动化方法所取代，以在EIS图中找到圆直径或找到峰值电位和峰值电流在CV中。首先，用户选择一种技术，“CV分析”、“EIS分析”或“绘制所有导入的图”。接下来，用户能够更改某些默认设置。点击“运行！”分析将开始，用户需要选择Excel或CSV格式的文件，以便与保存输出结果图像的文件夹一起进行分析。GUI可以在图中看到。 3，其中选择了“CV分析”。在循环伏安法中，峰电位（Epa和Epc）、峰电位差（ΔE）和峰电流（ipa和ipc）提供了关于电化学过程和电极表面的相关信息。因此，脚本通过识别两个线性基线自动输出“CV分析”中的这些值。另一方面，EIS分析将输出圆创建图3中的输入框的代码可以在下面看到。3. 说明性实例对于本文中包含的说明性示例，按照先前描述的方法制备用于检测甲状腺刺激激素的免疫化学免疫测定法[7]。不久，使用50mM KOH和25% H2O2溶液清洁金微电极 10 min。之后，用Milli-Q水冲洗电极，然后按照[8]所述在50mM KOH中进行CV。电极电位从−200至−1200 mV（与Ag/AgCl）一次，扫描速率为50 mV/s，以及Jonas Lynge Vishart，Jaime Castillo-León和Winnie E.Svendsen软件X 15（2021）1007203−见图4。在含有0.1 mM KCl的2 mM Fe（CN）6−3/Fe（CN）6−4溶液中对清洁Au电极进行循环伏安法分析。使用pyEIA软件绘制CV图。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版然后用Milli-Q水冲洗。将清洁的电极在2mM MPA水溶液中在室温下孵育过夜。用Milli-Q水冲洗以除去物理吸附的MPA后，将其在含有20 mg/mL EDC和10 m/mL NHS的溶液中于室温下孵育1 h。然后用磷酸盐缓冲液10 mM pH 7.4冲洗修饰的电极，并在抗TSH溶液中孵育过夜以产生传感界面。使用PBS洗去未结合的抗体。未反应的活性表面基团通过用0.1%（w/w）牛磺酸溶液孵育功能化电极来封闭。血清白蛋白（BSA）在室温下孵育1小时，随后用PBS洗涤。将制备的传感器在40µ L在室温下用100mL的TSH孵育30分钟，并用PBS洗涤。 电化学测量，包括CV和EIS，在含有0.1M KCl和0.1M HCl的脱气PBS溶液中进行。2 mM Fe（CN）6−3/Fe（CN）6−4所有电化学实验均在配备有用于电化学阻抗谱测量的FRA32M模块的PGSTAT30 AutoLab电化学工作站上进行。通过以100mV/s的扫描速率将电位从100 mV扫描至700 mV（相对于Ag/AgCl）来测量CV。为在EIS测量中，频率范围从0.01 Hz至100 kHz，信号幅度为5 mV，扫描速率为100 mV/s。3.1. 绘制循环伏安图图 3显示了在清洁的金电极上获得的Fe（CN）6−3/−4的CV。可以看出，所获得的CV显示出典型的形状、安培响应以及氧化还原探针的阴极波和阳极波之间的限定的峰-峰分离。图 中 的曲线 3是一个 预期的 反应，图五. 用于TSH检测的电化学阻抗免疫测定的制造中涉及的不同官能化步骤的Nyquist图。见图6。获得了不同功能化步骤的R-CT值，以制备用于TSH检测的电化学阻抗免疫分析法3.2. 使用EIS数据EIS给出了官能化过程中电荷转移电阻的信息。在每个功能化步骤之后，在Fe（CN）6−3/−4溶液中测量功能化的金电极阻抗，如第2节所述。阻抗谱包括双曲线部分和线性部分。其中，圆弧段对应于电子转移限制过程，直线段代表扩散限制过程。圆直径表示电子转移电阻。在每个功能化步骤之后，电子转移电阻将增加，因为新的层将阻碍电子从Fe（CN）6−3/−4溶液转移到金电极表面。多个EIS测量的分析将导致图。 5和6.如图5所示，结果是通过精确的周期测量得到的。图5是用于检测TSH的功能化金微电极上的每个功能化步骤都列在图标签中，从下到上。图中每个圆的直径。 5是用未改性的清洁金电极，其中没有层阻挡′′2 2′2Fe（CN）6−3/−4的电子转移动力学。非线性最小二乘法拟合函数Z= R −（Z-Xc）注意，图中的两个基线。4表示为灰色和绿色。它们对于特征值的输出是非常重要的。生成循环伏安曲线基线的部分代码如下所示to the data数据.请注意，Z“”和Z“分别是阻抗Z的虚值和实值。此外，当Rs小到可以忽略时，该圆形拟合算法是适用的。在这种特殊情况下，R是半径，而Xc是第一轴坐标Jonas Lynge Vishart，Jaime Castillo-León和Winnie E.Svendsen软件X 15（2021）1007204到半圆形的中心。上面显示了进行拟合和解决线性问题图11所示的测量的圆直径。 5显示为图中的条形图。 六、表1比较NOVA软件和pyEIA软件对所有功能化步骤的R-CT值，需要建立电化学阻抗免疫分析法。注意，标准偏差（σ）基于两个电极的测量值。一部分代码来创建图中的条形图。 六是看下面。新星，pyEIA，差异4. 影响用于CV和EIS分析的pyEIA软件仅限于专门为阻抗技术创建的高级软件，例如，NOVA Autolab允许用户构建和拟合Randles电路以进行测量。然而，pyEIA软件成功地使用Python来促进数据分析和更好的概述数据。在NOVA Autolab等软件中，需要手动选择每个测量值以包含在特定叠加中，以比较一个图中的测量值。另一方面，pyEIA软件允许用户选择多个Ex-cel或CSV格式测量同时进行。因此，当使用python脚本时，分析时间不会随着所选测量的数量而增加。如果默认设置使用，EIS的分析时间仅需要大约20秒，在一个图中产生测量。它还将输出字符的值在一个表格或条形图。尽管如此，pyEIA软件的结果不得与NOVA Autolab高度偏离。对这两种方法进行了比较，结果见表1。本文将我们开发的Python脚本pyEIA与AutoLab恒电位仪中可用的NOVA软件进行了比较。然而，公平地说，在进行电化学阻抗和循环阻抗测量的数据分析时所描述的挑战发生在其他可用的软件中。结果表明，所用软件之间的偏差在单个测量然而，如果没有明显的周期末端，偏差因此，这个周期可能比预期的要大，使用NOVA软件的用户难以在不增加人为偏差的情况下手动选择用于圆拟合步骤的三个必要点。RCT值+σi（σ i）RCT值+σi（σ i）（%清洁726± 48.1 724±53.0 0.28促甲状腺激素抗体9445± 1162 9480±1174 0.37BSA 12 625± 824 12 700±1061 0.59TSH 17819±955 17600±778 1.25. 结论本文介绍了一个图形用户界面和一个名为pyEIA的Python脚本，以方便电化学免疫分析实验的数据分析使用pyEIA，可以快速绘制几幅图，同时便于比较并获得关于由于电极表面官能化而导致的电荷转移增加的信息。此外，曲线电化学和生物传感社区成员可以通过获得快速分析和共享其数据的方法而受益于pyEIA，而无需绘制每个图表并覆盖描述电极功能化的所有图表并减少人为偏见。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作Jonas Lynge Vishart，Jaime Castillo-León和Winnie E.Svendsen软件X 15（2021）1007205引用[1] 陈新，王永，周军，严伟，李新，朱俊杰。肛门化学2008;80：2133[2] ChangBY，Park SM.Annu Rev Anal Chem 2010;3：207[3] [10]杨文，杨文，李文. 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