CN104198470B - 用于检测重金属离子的阵列传感器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于Hg(II),Ag(I),Cu(II)三种重金属离子同时定性与半定量检测的阵列的制备方法。该制备方法包括以下步骤：(1)选取对Hg(II),Ag(I),Cu(II)具有高灵敏度和高选择性的比色指示剂；(2)选取合适的指示剂固定配方；(3)以掺杂不同比色指示剂的配方固定并印刷在滤纸上构建可视化阵列。采用这种方法，该阵列可实现同时对Hg(II),Ag(I),Cu(II)三种重金属离子的定性和半定量检测。本发明涉及的传感阵列制作过程简单，保存时间长且检测灵敏度较好，为进一步实现对环境污染物的整体检测分析提供了基础和可能性。
Description
技术领域
本发明属于分析化学领域，具体涉及一种用于检测重金属离子的阵列传感器及其制备方法和应用。
背景技术
在二十一世纪的今天，人类赖以生存的地球环境越来越恶劣，灾难频发，旱灾、洪涝灾害、土地沙漠化、地震、全球气温上升、海啸等等，环境污染的及时预警和有效治疗成为当前国家发展环节中极其重要的一环，这其中重金属离子污染对人类健康造成的威胁不容忽视。这些重金属离子污染物主要包括Pb2+,Hg2+,Cd2+,Cr(VI),As3+,Ag+,Mn(V)等。矿冶、机械制造、化工、电子、仪表等工业生产过程中都会排放有害重金属废水。这些有毒离子对人体健康产生有害影响，严重的甚至有致命的危险，例如人们已经证实“骨痛病”和“水俣病”主要是由人体分别摄入过量的镉和汞引起的。世界卫生组织(WHO)和美国环保局(EPA)都对水中重金属离子污染物的允许最高含量给出了明确的规定。同时我国也在《生活饮用水卫生标准》和《污水综合排放标准》中分别明确规定了对饮用水和工业排放废水中有毒重金属离子允许的最高含量。
目前常规的重金属离子检测方法包括：电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)、原子吸收光谱法(AAS)、阳极溶出伏安法、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等。这些方法已能够成功检测水中痕量重金属离子污染物，同时基于这些方法的重金属离子检测仪也已商品化，例如加拿大AVVOR公司已开发出AVVOR9000在线重金属离子分析仪等系列产品。然而，上述诸多方法都需要费用高昂的大型仪器设备、专门的实验室、专业的操作技术人员和复杂的样品前处理过程。同时，一些检测方法如阳极溶出伏安法虽然可以同时检测多种重金属离子污染物，但在检测的过程中会伴随着微量的重金属污染，在检测的同时造成了二次污染，也是极不环保的检测方法。
科学家们已对同时检测多种重金属离子污染物做了大量的研究探索工作，基于光学原理的光化学比色方法应运而生。光化学比色方法因其操作简便，成本低廉而受到科学家们的广泛关注。各种具有专一选择性的指示剂和荧光制剂相继问世，这些指示剂的出现为重金属离子的现场检测以及重金属离子便携式检测仪的研发奠定了一定的基础。目前，已有不少比色/荧光阵列传感器用于多种重金属离子的同时检测，例如，公开号为CN102466639 A的中国专利申请公开了光化学比色传感器阵列用于多种重金属离子检测的方法，但是该方法的选择性较差，对于真实水体的检测，尤其是当有其它离子干扰的情况下的半定量检测则显得力不从心。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种用于检测重金属离子的阵列传感器及其制备方法和应用，该阵列传感器可以定性或者半定量地对Hg(II),Ag(I),Cu(II)三种离子同时进行检测，并且抗干扰能力强。
一种用于检测重金属离子的阵列传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤；
(1)分别将汞离子指示剂、银离子指示剂和铜离子指示剂加到不同的固定配方中，分散均匀得到不同的检测液；
(2)将步骤(1)得到的检测液涂布在定性滤纸上形成不同的响应点，干燥后，得到所述的阵列传感器；
所述的汞离子指示剂、银离子指示剂和铜离子指示剂选自3,3’,5,5’-四甲基联苯胺和如式(Ⅰ)所示的罗丹明B碱类衍生物中的一种；
Y为O或S；X为S或N；LG为氨基、乙二胺基、三乙胺基、甲酰胺基、二甲基甲酰胺基、苯酚甲酰胺基中的一种。
为了实现定性同时检测三种重金属离子，首先对重金属离子指示剂进行筛选，使其指示剂与重金属离子的响应一一对应。然后将所选择的特异性的指示剂分散于不同的固定配方中，通过改变配方的微环境而实现不同的检测灵敏度，实现了对三种重金属离子的同时定性和半定量检测。
作为优选，所述的汞离子指示剂的结构如式(Ⅰ-1)～(Ⅰ-3)所示：
所述的银离子指示剂为3,3’,5,5’-四甲基联苯胺；
所述的铜离子指示剂的结构如式(Ⅱ-1)所示：
这些重金属离子指示剂只仅仅与一种重金属离子有响应，有效排除了不同重金属离子对同一种指示剂响应的相互干扰。
步骤(2)中，所述的配方对指示剂的固定有着重要的影响，为了实现同时半定量检测三种重金属离子，需对固定配方进行选择。作为优选，步骤(1)中的固定配方包括以下八种：
①四乙氧基硅烷：含有疏水官能团的硅氧烷：异丙醇：乙醇：水以1:0.5-1:1-2:0.5-1:0.5-1体积比混合，常温下水解12h，得溶胶配方；
②四乙氧基硅烷：含有疏水官能团的硅氧烷：异丙醇：氯苯：催化剂：水＝1:0.015-0.5:1-2.5:0.5-1.5:0.1-0.3:0.2-0.5体积比混合，常温下水解12h，得溶胶配方；
③四乙氧基硅烷：含有疏水官能团的硅氧烷：异丙醇：催化剂：水＝1:0.015-0.5:1-2.5:1-2:1-2体积比混合，常温下水解12h，得溶胶配方；
④四乙氧基硅烷：含有疏水官能团的硅氧烷：乙醇：催化剂：水＝1:0.5-1:1-5:0.5-2.0:0.1-1体积比混合，常温下水解12h，得溶胶配方；
⑤四乙氧基硅烷：催化剂：乙醇：水＝1:0.1-0.5:0.5-2.0:0.1-0.5体积比混合，常温下水解12h，得溶胶配方；
⑥聚合物：增塑剂：四(4-氯苯基)硼酸钾：四氢呋喃＝1:2-5:0.05-0.1:10-200质量比混合，常温下搅拌1h，得聚合配方；
⑦聚合物：增塑剂：四氢呋喃＝1:2-5:10-200质量比混合，常温下搅拌1h，得聚合配方；
⑧聚合物：增塑剂：四氢呋喃：环己酮＝1:2-5:5-50:5-50质量比混合，常温下搅拌1h，得聚合配方；
将上述8种固定配方与汞离子指示剂、银离子指示剂和铜离子指示剂搭配成多个响应点，每个彼此独立的响应点并列排布，构造阵列传感器。其中，所述的常温指的是20～30℃的温度，对于同一种指示剂来说，选择不同的固定化配方后，对根据金属离子溶液浓度的不同，而产生不同的响应。
其中⑥⑦⑧选用的聚合物包括聚氯乙烯、聚乙烯醇缩丁醛树脂、聚乙烯、聚丙烯中的至少一种；选用的增塑剂包括磷酸三辛酯、2-硝基苯辛醚、癸二酸二辛酯、邻苯二甲酸二(2─乙基己)酯中的至少一种。
该制备方法的具体操作为：将筛选出的1-5mg重金属离子指示剂加入到1mL的固定配方中，超声溶解，取90-110μL溶液，用此溶液在定性滤纸上印刷点阵列，氮气保护下室温干燥，得用于重金属离子检测的阵列传感器。
本发明还提供了一种阵列传感器，由所述的制备方法制备得到。
本发明提供了一种重金属离子的检测方法，使用所述的阵列传感器进行检测。
作为优选，该检测方法包括如下步骤：
(1)将所述的阵列传感器装配于流通池的底部台阶上，盖上流通池上盖，启动蠕动泵，将不同已知浓度的重金属离子液泵入流通池系统，所述阵列传感器上的响应点与重金属离子反应后分别产生不同的颜色变化，通过扫描仪读取颜色变化；
(2)通过Photoshop软件对步骤(1)中的扫描仪读取的颜色变化进行数字化处理，得到不同响应点前后图像对应的RGB值，将反应后图像的RGB值减去反应前图像的RGB值，提取差减图像的ΔR、ΔG和ΔB值，然后按ΔR、ΔG和ΔB值还原对应的颜色图像，得到指纹图谱；
(3)启动蠕动泵，将待测液泵入流通池系统，通过扫描仪读取所述阵列传感器上的响应点与重金属离子反应后分别产生的颜色变化，然后按照步骤(2)的处理方法对颜色进行数字化处理，得到的结果与指纹图谱进行对比，根据两者的吻合程度来确定待测液中的离子种类及含量范围。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1、该方法通过合成和筛选高选择性和高灵敏度的重金属离子指示剂，实现了重金属离子指示剂只仅仅与一种重金属离子有响应，克服了不同重金属离子对同一种指示剂响应的相互交叉干扰。
2、通过改变固定配方的微环境，实现了对不同离子的检测灵敏度，最终仅由“指纹图谱”就能定性和半定量同时检测Hg(II),Ag(I),Cu(II)三种重金属离子。
3、采用该方法制备的阵列滤纸，制作过程简单，保存时间长且检测灵敏度较好，不需要复杂昂贵的设备，易于实现工业化生产。
附图说明
图1为实施例1中制备阵列传感器的流程示意图；
图2为传感阵列对不同浓度的单独一种Hg(II),Ag(I),Cu(II)重金属离子的响应(为便于观察，红、绿、蓝色框颜色范围从2-5扩展到0-255)。从图中可以明显看出，3种重金属离子的不同浓度分别显示了其独特的“指纹图谱”，证明了该阵列能对这三种重金属离子进行定性和半定量区分。
图3为传感阵列对相同或不同浓度的Hg(II),Ag(I),Cu(II)重金属离子混合液的响应(为便于观察，红、绿、蓝色框颜色范围从2-5扩展到0-255)。从图中可以明显看出，3种重金属离子相互间不干扰，真正实现了在其他离子干扰下也能同时检测多种重金属离子，为进一步实现对环境污染物的整体检测分析奠定了基础和可能性。
具体实施方式
一种用于Hg(II),Ag(I),Cu(II)三种重金属离子同时定性与半定量检测的阵列的制备方法，包括重金属离子指示剂的筛选，固定指示剂配方的筛选，以及阵列的构造。
以合成和筛选出的指示剂作为重金属离子指示剂材料；将这些特异性的指示剂固定于配方中，通过改变配方的微环境而实现对Hg(II),Ag(I),Cu(II)不同的检测灵敏度；为同时检测三种重金属离子，将5种指示剂与13种固定配方搭配成18个响应点，印刷于滤纸上作为检测单元，提取每个响应点对应的颜色信息，将所有这些颜色信息归总，构建阵列系统；基于不同浓度的重金属离子能与相对应的响应点特异性反应，提取每个响应点反应后的颜色信息，将所有这些颜色信息归总，构建阵列系统。下面通过具体实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1阵列传感器的制备
(1)指示剂的筛选：
为了实现重金属离子指示剂只仅仅与一种重金属离子有响应，避免不同重金属离子对同一种指示剂响应的相互交叉干扰。在3,3’,5,5’-四甲基联苯胺，以及包含下述通式的罗丹明B类衍生物指示剂中，
筛选了3种对Hg(II)特异性响应的指示剂，分别为：罗丹明B碱类衍生物(其中X＝N，Y＝O，LG＝胺基，如式Ⅰ-1所示)、罗丹明B碱类衍生物(其中X＝N，Y＝S，LG＝氨乙基，如式Ⅰ-2所示)、罗丹明B碱类衍生物(其中X＝S，Y＝S，如式Ⅰ-3所示),并分别用L1、L2、L3指代。
筛选了2种分别对Ag(I),Cu(II)特异性响应的指示剂，分别为：3,3’,5,5’-四甲基联苯胺、罗丹明B碱类衍生物(其中X＝N，Y＝O，LG＝苯酚甲酰胺基，如式Ⅱ-1所示)，并分别用L4、L5指代。
L3根据合成所得，步骤如下：在带通氮气装置的反应瓶中加入0.5g罗丹明B碱类衍生物(其中X＝S，Y＝S),加20mL的苯溶解，加入0.45g劳森试剂，搅拌回流4h。反应毕，蒸干溶剂得残渣物，采用硅胶过柱法进行分离，得L3。
L5根据合成所得，步骤如下：在带通氮气装置的反应瓶中加入0.23gL1，加20mL的乙醇溶解，加入0.08g2,4-二羟基苯甲醛和三滴冰醋酸，搅拌回流6h。反应毕，冷却反应液并浓缩至10mL，将其室温下静置过夜。次日收集到沉淀物，过滤沉淀并用冷的乙醇(约10mL)清洗3次，真空干燥过滤物，得L5。
(2)固定配方的合成：
⑴四乙氧基硅烷：甲基三甲氧基硅烷：异丙醇：乙醇：水以1:1:1.67:1.67:1体积比混合，常温下水解12h，得配方1；
⑵四乙氧基硅烷：甲基三甲氧基硅烷：异丙醇：乙醇：水以1:1:1.67:1.47:0.8体积比混合，常温下水解12h，得配方2；
⑶四乙氧基硅烷：甲基三甲氧基硅烷：异丙醇：氯苯：催化剂：水＝1:0.23:2.05:0.91:0.23:0.45体积比混合，常温下水解12h，得配方3；
⑷四乙氧基硅烷：甲基三甲氧基硅烷：异丙醇：氯苯：催化剂：水＝1:0.23:2.05:0.91:0.18:0.41体积比混合，常温下水解12h，得配方4；
⑸四乙氧基硅烷：甲基三乙氧基硅烷：乙醇：水＝1:1:4:0.6体积比混合，常温下水解12h，得配方5；
⑹四乙氧基硅烷：苯基三乙氧基硅烷：异丙醇：催化剂：水＝1:0.0125:2.13:0.83:0.83体积比混合，常温下水解12h，得配方6；
⑺四乙氧基硅烷：催化剂：乙醇：水＝1:0.12:0.6:0.18体积比混合，常温下水解12h，得配方7；
⑻聚氯乙烯：2-硝基苯辛醚：四(4-氯苯基)硼酸钾：四氢呋喃＝1:2:0.03:15质量比混合，常温下搅拌1h，得配方8；
⑼聚氯乙烯：癸二酸二辛酯：四(4-氯苯基)硼酸钾：四氢呋喃＝1:4.2:0.03:150质量比混合，常温下搅拌1h，得配方9；
⑽聚氯乙烯：磷酸三辛酯：四(4-氯苯基)硼酸钾：四氢呋喃＝1:4.2:0.03:150质量比混合，常温下搅拌1h，得配方10；
⑾聚氯乙烯：癸二酸二辛酯：四氢呋喃＝1:4.2:150质量比混合，常温下搅拌1h，得配方11；
⑿聚氯乙烯：磷酸三辛酯：四氢呋喃：环己酮＝1:2:7.5:7.9质量比混合，常温下搅拌1h，得配方12；
⒀聚氯乙烯：癸二酸二辛酯：四氢呋喃：环己酮＝1:2:7.5:7.9质量比混合，常温下搅拌1h，得配方13。
(3)分别将三种重金属离子指示剂加入到上述合成的固定配方中，搅拌溶解，取一定量的溶液，用此溶液在定性滤纸上印刷点阵列，氮气保护下室温干燥，得用于重金属离子检测传感膜。阵列传感器的制备：将(1)的5种指示剂与(2)中的13种固定配方搭配成18个响应点，18个彼此独立的响应点按附图1所示的从左到右，从上到下的顺序排布，构造阵列传感器；其搭配为：L2+配方5，L3+配方6，L2+配方6，L3+配方5，L4+配方9，L4+配方11，L2+配方7，L3+配方7，L4+配方10，L4+配方13，L5+配方2，L5+配方1，L1+配方1，L1+配方3，L4+配方8，L4+配方12，L5+配方4，L5+固定配方3。其中，每一个响应点按照如下方法获得：
将4mg(1)中的重金属离子指示剂加入到1mL合成的固定配方中，搅拌溶解，取90-110μL溶液，用此溶液在定性滤纸上印刷出圆点，氮气保护下室温干燥，即得到相应的响应点。
实施例2～19“指纹图谱”的构建
(1)比色读取：将构造的阵列敏感膜(即阵列传感器)装配于流通池的底部台阶上，盖上流通池上盖，使得敏感膜正好卡在流通池中间；启动蠕动泵，以3mL/min的均匀速率将不同浓度的重金属离子液泵入流通池系统，敏感膜上的18个传感响应单元与重金属离子反应后分别产生不同的颜色变化(响应时间为10分钟)，通过扫描仪读取。
流通池由聚四氟乙烯材料制成，底部嵌有透明玻璃视窗，用于扫描仪对传感膜颜色变化的采集。传感膜夹在“三明治”上下腔体式的流通池中间，样品溶液经由蠕动泵泵入透明玻璃视窗的流通池底部腔体后，在蠕动泵的压力驱使下，透过传感膜，从流通池上部腔体流出。样品溶液透过膜后，重金属离子被不断富集，并与传感膜上的不同指示剂反应，导致指示剂发生颜色变化。
(2)采用扫描仪提取各个指示剂反应前后的颜色变化后，通过Photoshop软件对指示剂与重金属离子反应前后膜上产生的颜色进行数字化处理，得到指示剂反应前后图像对应的RGB值，将反应后图像的RGB值减去反应前图像(即指示剂空白)的RGB值，提取差减图像的ΔR、ΔG和ΔB值，然后按ΔR、ΔG和ΔB值还原对应的颜色图像；指示剂与重金属离子反应后所产生的颜色变化能够通过“指纹图谱”的形式体现出来。
其中的Photoshop软件处理仅为展示颜色变化的强弱，并不影响各重金属离子数字化后可视差图的数值。
其中的“指纹图谱”是将图像数字化后的RGB值按比例用颜色方式进行可视化直观显示。
反应后所产生的颜色变化是通过数字化的形式反映出来，为定性和半定量分析提供依据。
按照上述方法，通入不同浓度的单独一种Hg(II),Ag(I),Cu(II)重金属离子液，得到的结果如图2所示，用表1表示如下。
表1
| 离子种类 | 离子浓度 | 响应点位置 | 响应点个数 | |
| 实施例2 | Hg2+ | 0.25μM | 第1～2列 | 2 |
| 实施例3 | Hg2+ | 4μM | 第1～2列 | 4 |
| 实施例4 | Hg2+ | 10μM | 第1～2列 | 6 |
| 实施例5 | Hg2+ | 50μM | 第1～2列 | 8 |
| 实施例6 | Ag+ | 0.25μM | 第3～4列 | 0 |
| 实施例7 | Ag+ | 4μM | 第3～4列 | 2 |
| 实施例8 | Ag+ | 10μM | 第3～4列 | 4 |
| 实施例9 | Ag+ | 50μM | 第3～4列 | 6 |
| 实施例10 | Cu2+ | 0.25μM | 第5～6列 | 0 |
| 实施例11 | Cu2+ | 4μM | 第5～6列 | 0 |
| 实施例12 | Cu2+ | 10μM | 第5～6列 | 2 |
| 实施例13 | Cu2+ | 50μM | 第5～6列 | 4 |
由表2的结果可知，不同种类和浓度的金属离子会产生不同的响应，形成特殊的指纹图谱。
(3)按照上述方法，通入相同或不同浓度的Hg(II),Ag(I),Cu(II)重金属离子混合液，得到的结果如图3所示，用表2表示如下：
表2
由表2的结果可知，通入不同浓度的混合溶液会使阵列传感器产生不同的响应，并且该响应与单种金属离子的响应相对应，说明给离子之间不存在相互干扰。
Claims (5)
1.一种用于检测重金属离子的阵列传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)分别将汞离子指示剂、银离子指示剂和铜离子指示剂加到不同的固定配方中，分散均匀得到不同的检测液；
(2)将步骤(1)得到的检测液涂布在定性滤纸上形成不同的响应点，干燥后，得到所述的阵列传感器；
所述的汞离子指示剂、银离子指示剂和铜离子指示剂选自3,3’,5,5’-四甲基联苯胺和如式(Ⅰ)所示的罗丹明B碱类衍生物中的一种；
Y为O或S；X为S或N；LG为氨基、氨乙基、氨丙基、甲酰胺基、二甲基甲酰胺基、苯酚甲酰胺基中的一种；
步骤(1)中的固定配方包括以下八种：
①四乙氧基硅烷：含有疏水官能团的硅氧烷：异丙醇：乙醇：水以1:0.5-1:1-2:0.5-1:0.5-1体积比混合，常温下水解12h，得溶胶配方；
②四乙氧基硅烷：含有疏水官能团的硅氧烷：异丙醇：氯苯：催化剂：水＝1:0.015-0.5:1-2.5:0.5-1.5:0.1-0.3:0.2-0.5体积比混合，常温下水解12h，得溶胶配方；
③四乙氧基硅烷：含有疏水官能团的硅氧烷：异丙醇：催化剂：水＝1:0.015-0.5:1-2.5:1-2:1-2体积比混合，常温下水解12h，得溶胶配方；
④四乙氧基硅烷：含有疏水官能团的硅氧烷：乙醇：催化剂：水＝1:0.5-1:1-5:0.5-2.0:0.1-1体积比混合，常温下水解12h，得溶胶配方；
⑤四乙氧基硅烷：催化剂：乙醇：水＝1:0.1-0.5:0.5-2.0:0.1-0.5体积比混合，常温下水解12h，得溶胶配方；
⑥聚合物：增塑剂：四(4-氯苯基)硼酸钾：四氢呋喃＝1:2-5:0.05-0.1: 10-200质量比混合，常温下搅拌1h，得聚合配方；
⑦聚合物：增塑剂：四氢呋喃＝1:2-5:10-200质量比混合，常温下搅拌1h，得聚合配方；
⑧聚合物：增塑剂：四氢呋喃：环己酮＝1:2-5:5-50:5-50质量比混合，常温下搅拌1h，得聚合配方；
将上述8种固定配方与汞离子指示剂、银离子指示剂和铜离子指示剂搭配成多个响应点，每个彼此独立的响应点并列排布，构造阵列传感器；
所述的聚合物包括聚氯乙烯、聚乙烯醇缩丁醛树脂、聚乙烯、聚丙烯中的至少一种；
所述的增塑剂包括磷酸三辛酯、2-硝基苯辛醚、癸二酸二辛酯、邻苯二甲酸二(2─乙基己)酯中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的阵列传感器的制备方法，其特征在于，所述的汞离子指示剂的结构如式(Ⅰ-1)～(Ⅰ-3)所示：
所述的银离子指示剂为3,3’,5,5’-四甲基联苯胺；
所述的铜离子指示剂的结构如式(Ⅱ-1)所示：
3.一种阵列传感器，其特征在于，由权利要求1～2任一项所述的制备方法制备得到。
4.一种重金属离子的检测方法，其特征在于，使用权利要求3所述的阵列传感器进行检测。
5.根据权利要求4所述的重金属离子的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将所述的阵列传感器装配于流通池的底部台阶上，盖上流通池上盖，启动蠕动泵，将不同已知浓度的重金属离子液泵入流通池系统，所述阵列传感器上的响应点与重金属离子反应后分别产生不同的颜色变化，通过扫描仪读取颜色变化；
(2)通过Photoshop软件对步骤(1)中的扫描仪读取的颜色变化进行数字化处理，得到不同响应点前后图像对应的RGB值，将反应后图像的RGB值减去反应前图像的RGB值，提取差减图像的△R、△G和△B值，然后按△R、△G和△B值还原对应的颜色图像，得到指纹图谱；
(3)启动蠕动泵，将待测液泵入流通池系统，通过扫描仪读取所述阵列传感器上的响应点与重金属离子反应后分别产生的颜色变化，然后按照步骤(2)的处理方法对颜色进行数字化处理，得到的结果与指纹图谱进行对比，根据两者的吻合程度来确定待测液中的离子种类及含量范围。
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