CN108107033B - 一种单个胸腺嘧啶探针及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单个胸腺嘧啶探针及其制备方法。所述单个胸腺嘧啶探针的制备方法包括如下制备步骤:将金纳米粒子溶胶与胸腺嘧啶溶液混合,超声处理,然后将载片浸泡于溶胶中静置处理,取出载片吹干得到沉积于载片表面的单个胸腺嘧啶探针,胸腺嘧啶溶液的浓度为1×10‑2mol/L~1×10‑4mol/L,金纳米粒子与胸腺嘧啶的摩尔比为1:1~1:5,超声时间大于等于2min,静置时间为大于等于3h。相较于传统大分子探针,本发明制备的单个胸腺嘧啶探针具有很低的SERS背景信号,结构简单,低廉易得,汞离子检出限为0.02ppb,汞离子检测的浓度范围为1×10‑10 mol/L~1×10‑1 mol/L,检测范围广,线性程度高,同时具有良好重现性和离子特异性,可以对汞离子进行特异性检测,适用于实际水体中汞离子浓度的检测。

Description

一种单个胸腺嘧啶探针及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及汞离子检测技术领域,更具体地,涉及一种单个胸腺嘧啶探针及其制备方法。
背景技术
在现有的对汞(II)离子的检测方法中,常用的等离子体原子发射光谱法、冷原子吸收法、原子荧光光谱法以及电感耦合等离子体-质谱法等都受到了耗时长、设备仪器造价昂贵、操作复杂以及无法实现现场测试等缺点的制约,不适合自然水体的现场测试。因此我们需要开发一种便携、快速、无需进行样品前处理的汞(II)离子测试方法。
拉曼光谱因其对样品无损测试、无需进行样品前处理、快速的优点而广受研究者的青睐。而随着纳米制备技术的发展,表面增强拉曼光谱(SERS)技术得到了快速的发展,配合此技术,拉曼光谱能实现单分子级别的测试,且因为其具有良好的普适性,在生物、医学、考古、化学和材料等领域得到了广泛的应用。在表面等离子体共振的条件下,SERS可以将待测样品的拉曼信号增强106~1014倍,极大地提高了检测的特异性、灵敏度。然而,现有的SERS检测手段都是基于大分子探针,如DNA、蛋白质及寡核苷酸等,这些大分子探针结构非常复杂且价格高昂,不利于这种分析技术的实际应用。而胸腺嘧啶T是一种结构简单,成本低廉且易于获得的小分子探针,高稳定性和较低的拉曼背景信号使其成为极具应用前景的汞离子检测探针。现有技术中采用含有多个胸腺嘧啶T的DNA探针不仅结构复杂且价格昂贵,且长链分子本身的拉曼光谱背景信号会掩盖吸附汞离子后的信号强度变化,影响检测的灵敏度。因此如何获得一种特异性强、灵敏度高且简单易得的SERS探针也是汞离子浓度检测的研究重点。
发明内容
本发明旨在克服上述现有技术的不足,提供一种结构简单,稳定性好,灵敏度高的单个胸腺嘧啶探针。
本发明的另一目的在于提供一种单个胸腺嘧啶探针的制备方法。
本发明的另一目的在于提供一种单个胸腺嘧啶探针在汞离子测定中的应用。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
一种单个胸腺嘧啶探针的制备方法,包括如下步骤:包括如下步骤:将金纳米粒子与胸腺嘧啶溶液混合,超声处理,然后将载片浸泡于溶液中,静置处理,取出载片吹干得到沉积于载片表面的单个胸腺嘧啶探针,胸腺嘧啶的浓度为1×10-2mol/L~1×10-4mol/L,金纳米粒子与胸腺嘧啶的摩尔比为1:1~1:5,超声时间大于等于2min,静置时间为大于等于3h。
相比于结构复杂且价格昂贵的多个胸腺嘧啶的DNA探针,直接使用结构简单、成本低廉的单个胸腺嘧啶分子更容易得到背景较低的检测信号,且稳定性更好。无论是长链多个胸腺嘧啶的DNA分子还是单个胸腺嘧啶分子,胸腺嘧啶探针检测汞离子的基础都是胸腺嘧啶-汞离子-胸腺嘧啶配位键的形成,检测原理都是基于探针和汞离子结合产生的拉曼信号变化。在汞离子浓度较高的时候差别并不明显,然而在低浓度的情况下,探针分子本身的背景信号就可能会掩盖吸附汞离子后的拉曼信号变化,而单个胸腺嘧啶探针的背景信号低,在低浓度的下也能显著反应吸附汞离子后的拉曼信号变化,具有较低的检出限。单个胸腺嘧啶分子通过配位作用稳定吸附在金纳米粒子表面,然后通过静电吸附作用沉积在载片表面,形成胸腺嘧啶探针,制备过程操作简单,廉价易得,且具有高稳定性和特异性。
优选地,所述胸腺嘧啶探针的制备方法的超声时间为2~30min。超声时间过短不足以让离心沉积下来的金纳米粒子重新分散,时间太长会增加制备的能耗,不经济环保。
优选地,所述胸腺嘧啶的浓度为1×10-3mol/L。当胸腺嘧啶溶液的浓度为1×10- 3mol/L时制备的单个胸腺嘧啶探针灵敏度最高。制备SERS探针的胸腺嘧啶浓度应尽量低,才能让探针更灵敏,能检测到更低浓度的汞离子吸附产生的SERS信号变化,但是胸腺嘧啶浓度太低会让吸收峰变的紊乱,无法检测。发明人通过多次探索发现胸腺嘧啶浓度为1×10-3mol/L时1649cm-1处特征峰信号最强,灵敏度最高。
优选地,所述静置时间为12~24h。静置时间过短不足以让胸腺嘧啶稳定吸附于金纳米粒子溶胶表面,静置时间过长不适于实际操作。
优选地,制备过程中所述载片在取出后重复冲洗表面大于等于3次。重复3次可以除去没有稳定吸附形成探针的胸腺嘧啶分子,使SERS信号更稳定,低于3次不足以清洗干净。
优选地,所述金纳米粒子在与胸腺嘧啶溶液混合前先经过甲苯预处理,预处理步骤为:在除去上清液的金纳米粒子中加入甲苯超声处理,在50℃~100℃下加热1-10min,超声时间大于等于2min,甲苯与金纳米粒子溶胶的体积为1:1~3:1。
金纳米粒子的常规制备方法中均用到十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)或十六烷基三甲基氯化铵(CTAC),而CTAC与CTAB的化学结构一致,性质类似,甲苯也同样适应使用CTAC的情况。利用甲苯预处理可以很好的去除金纳米粒子溶胶制备过程中引入的CTAC或CTAB,从而避免了CTAC或CTAB对SERS信号的影响。
其中金纳米粒子Au NRs溶胶甲苯超声热处理的超声时间优选为2~30min,超声时间过短不足以让甲苯与CTAB完全反应,过长时间会增加能耗。
优选地,所述甲苯超声处理加热温度为60~70℃。
更优选地,所述甲苯超声处理加热温度为65℃。甲苯的最低反应温度50℃,50℃以下基本不会与CTAB发生反应,最高反应温度是100℃,高于100℃会完全破坏金纳米粒子的形貌。同时温度升高也会导致热运动加剧使得金纳米粒子发生团聚,发明人通过多次探索发现65℃为甲苯与金纳米粒子溶胶反应的最佳温度。
由上述的单个胸腺嘧啶探针的制备方法制备的单个胸腺嘧啶探针。
上述的单个胸腺嘧啶探针在汞离子测定中的应用。
相较于结构非常复杂且价格高昂的传统大分子探针,胸腺嘧啶探针具有结构简单,成本低廉且易于获得等优点。其对汞离子的检出限为0.02ppb,同时具有良好重现性和离子特异性,适用于实际水体中汞离子浓度的检测。
优选地,所述单个胸腺嘧啶探针在汞离子测定中的以拉曼峰面积为指标建立工作曲线
基于单个胸腺嘧啶探针标记的汞离子SERS定量分析的方法包括如下步骤:
S1:建立工作曲线:取一片制备好的胸腺嘧啶探针,取任意一点测试其空白SERS光谱,以空白SERS光谱的峰面积为I空白;在上述同一位置滴加不同浓度汞离子溶液静置培养,测试SERS光谱,以不同浓度的汞离子溶液拉曼峰的峰面积为I样品,得到信号衰减值为I衰减=(I空白-I样品)/I空白,以信号衰减值对汞离子浓度作图得到工作曲线C样品=(I衰减-156.4)/15.6;
S2:检测样品中汞离子浓度:将待测样品溶液滴于胸腺嘧啶探针上静置培养,测试其SERS光谱,代入工作曲线公式中计算得到样品中汞离子浓度。
相对以信号强度作为指标,以峰面积作为指标更能体现拉曼峰信号的强弱变化,同时本发明中以峰面积作为指标的线性拟合程度高于以信号强度作为指标时的拟合程度。工作曲线检测汞离子的浓度范围为1×10-10mol/L~1×10-1mol/L,检测范围广,线性程度高,同时具有良好重现性和离子特异性,可以在多种离子的干扰下对汞离子进行特异性检测。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
相较于结构非常复杂且价格高昂的传统大分子探针,本发明制备的单个胸腺嘧啶探针具有很低的SERS背景信号,结构简单,低廉易得,对汞离子检出限为0.02ppb,检测的浓度范围为1×10-10mol/L~1×10-1mol/L,检测范围广,线性程度高,同时具有良好重现性和离子特异性,可以在多种离子的干扰下对汞离子进行特异性检测,适用于实际水体中汞离子浓度的检测。
附图说明
图1为单个胸腺嘧啶探针作用机理图。
图2中A为实施例2制备的单个胸腺嘧啶探针的SERS信号图,B为实施例1制备的单个胸腺嘧啶探针的SERS信号图,C为实施例3制备的单个胸腺嘧啶探针的SERS信号图。
图3中A为实施例4制备的单个胸腺嘧啶探针的SERS信号图,B为实施例1制备的单个胸腺嘧啶探针的SERS信号图,其中1、2、3、4分别代表四次重复实验。
图4为实施例1制备的单个胸腺嘧啶探针放大50000倍的扫描电镜图。
图5为实施例1制备的单个胸腺嘧啶探针的透射电子显微镜图。
图6为实施例1制备的单个胸腺嘧啶探针的能谱图。
图7为实施例1制备的单个胸腺嘧啶探针的线扫描能谱图。
图8为实施例1制备的单个胸腺嘧啶探针的X射线光电子能谱图。
图9为实施例1制备的单个胸腺嘧啶探针的质谱图。
图10为实施例1制备的单个胸腺嘧啶探针在空白样品及存在汞离子时的表面增强拉曼光谱。
图11为实施例1制备的单个胸腺嘧啶探针在1649cm-1处的工作曲线。
图12为实施例1制备的单个胸腺嘧啶探针的离子选择性检测结果。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明,但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非另有说明,本发明实施例采用的原料试剂为常规购买的原料试剂。
SERS光谱由Renishaw inVia(Renishaw Co.Ltd)进行测试,使用激光光源为632.8nm,激光功率为17mW,测试光谱时使用激光功率为5%,测试次数为1次,信号收集时间为10s。
实施例1
金纳米粒子的制备
金种子溶胶的制备
称取9.750g十六烷基三甲基溴化铵溶液(0.1mol/L)于15mL离心管中,加入250μLHAuCl4溶液(0.01mol/L)于离心管中。充分摇匀后迅速加入600μL由冰水配制的NaBH4溶液(0.1mol/L),将样品放入真空干燥箱进行30℃恒温静置3小时得到种子溶胶备用。
金纳米粒子溶胶的制备
移取40.000g十六烷基三甲基溴化铵溶液(0.1mol/L)于50mL离心管中,依次加入2.0mL HAuCl4溶液(0.01mol/L)、200μL AgNO3溶液(0.01mol/L)、160μL HCl溶液(5.0mol/L)、320μL抗坏血酸溶液(0.1mol/L)、40μL金种溶胶,每次加入后都充分摇匀,在30℃下恒温静置12小时得到金纳米粒子溶胶。
胸腺嘧啶探针的制备
取4mL(一)中制备的金纳米粒子溶胶于15mL离心管中,离心(5000rpm×10min),移除上清液,加入4mL甲苯,超声2min,放入65℃水浴中水浴加热5min以除去金纳米粒子上附着的十六烷基三甲基溴化铵。将步骤1中的样品离心(5000rpm×10min),移除上清液,加入4mL水,超声2min后再次离心(5000rpm×10min),移除上清液,加入4mL胸腺嘧啶溶液(T,1×10-3mol/L),金纳米粒子与胸腺嘧啶的摩尔比为1:3,超声2min后倒入50mL烧杯中,将已经洗净并用N2枪吹干的载片浸泡于溶胶中,静置12h。最后取出载片,使用1mL纯净水冲洗表面残余的单个胸腺嘧啶探针,重复3次,最后使用N2枪垂直吹干表面,得到沉积于载片表面的单个胸腺嘧啶探针。
单个胸腺嘧啶探针的作用机理如图1所示,单个胸腺嘧啶探针的SERS信号如图2中B所示,甲苯预处理可以避免十六烷基三甲基溴化铵对SERS信号的影响,甲苯处理后制备的单个胸腺嘧啶探针的SERS信号如图3中B所示,进行了1、2、3、4四次重复试验,变化趋势均一致,说明甲苯处理后拉曼信号相比处理前具有更好的重现性。
对单个胸腺嘧啶探针进行了结构表征,获得胸腺嘧啶探针后,可以通过透射电子显微镜能谱(EDS),X射线光电子能谱(XPS)及质谱(MS)表征其结构。EDS表明汞离子通过胸腺嘧啶吸附于金纳米粒子表面,MS证明了胸腺嘧啶-汞离子-胸腺嘧啶配位键的存在,该配位键即为胸腺嘧啶探针检测汞离子的基础。单个胸腺嘧啶探针放大50000倍的扫描电镜图如图4所示,单个胸腺嘧啶探针的透射电子显微镜图如图5所示,单个胸腺嘧啶探针的能谱图如图6所示,单个胸腺嘧啶探针的线扫描能谱图如图7所示,单个胸腺嘧啶探针的X射线光电子能谱图如图8所示,单个胸腺嘧啶探针的质谱图如图9所示。
Hg2+离子的检测
取一片制备好的胸腺嘧啶探针,取任意一点测试其空白SERS光谱,并记录测试位置。将事先使用纯净水配制好的1mol/L Hg(NO3)2溶液按照一个数量级的比例稀释为1×10-1mol/L、1×10-2mol/L、1×10-3mol/L、1×10-4mol/L、1×10-5mol/L、1×10-6mol/L、1×10- 7mol/L、1×10-8mol/L、1×10-9mol/L、1×10-10mol/L,将每个浓度的溶液保存备用。向做标记处滴加上述汞离子溶液,静置5min,使用N2枪吹干后,再次测试同一点的SERS光谱。空白样品及存在汞离子时的表面增强拉曼光谱图如图10所示。
选取1649cm-1处拉曼峰作为特征峰,使用Origin 9.0(OriginLab Corporation)软件进行分峰拟合,具体步骤为:Analysis-Fit Peaks(Pro)-Custom Y=0-Find Peaks选定1649cm-1峰以及附近与1649cm-1有重合部分的峰(同一位置处理前后峰位选取位置应当一致)锁定峰位拟合得到峰面积。以空白SERS光谱的峰面积为I空白,以上述不同浓度的汞离子溶液在1649cm-1处拉曼峰的峰面积为I样品,得到信号衰减值为I衰减=(I空白-I样品)/I空白,以信号衰减值对对汞离子浓度作图并线性拟合,得到工作曲线,其公式为c样品=(I衰减-156.4)/15.6。单个胸腺嘧啶探针在1649cm-1处的工作曲线如图11所示。
将待测样品溶液滴于胸腺嘧啶探针上,静置5min,使用N2枪吹干后,测试其SERS光谱,对1649cm-1处拉曼峰进行拟合得到峰面积,代入工作曲线公式中计算得到样品中汞离子浓度。测定结果表1所示。
表1
样品序号 Hg<sup>2+</sup>实际浓度(M) Hg<sup>2+</sup>测定浓度(M) 误差(%)
1 10<sup>-1</sup> 0.963×10<sup>-1</sup> 3.7
2 10<sup>-2</sup> 0.964×10<sup>-2</sup> 3.6
3 10<sup>-3</sup> 0.967×10<sup>-3</sup> 3.3
4 10<sup>-4</sup> 1.032×10<sup>-4</sup> 3.2
5 10<sup>-5</sup> 1.034×10<sup>-5</sup> 3.4
6 10<sup>-6</sup> 0.958×10<sup>-6</sup> 4.2
7 10<sup>-7</sup> 1.051×10<sup>-7</sup> 5.1
8 10<sup>-8</sup> 1.066×10<sup>-8</sup> 6.6
9 10<sup>-9</sup> 0.937×10<sup>-9</sup> 7.3
10 10<sup>-10</sup> 1.082×10<sup>-10</sup> 8.2
从上表数据可以看出本发明的基于胸腺嘧啶标记的SERS汞离子定量分析方法能准确的对Hg2+进行定量检测分析,与真实浓度值基本吻合,说明该单个胸腺嘧啶探针可用于检测汞离子浓度。即使在灵敏度达到10-10M时的测量误差也是很小的。
胸腺嘧啶探针特异性表征
配制浓度均为1mol/L的NaNO3、KNO3、CdCl2、Zn(NO3)2、Co(NO3)2、Cu(NO3)2、Fe(NO3)3溶液,将其按照一个数量级的比例稀释为1×10-1mol/L、1×10-2mol/L、1×10-3mol/L、1×10-4mol/L、1×10-5mol/L、1×10-6mol/L、1×10-7mol/L、1×10-8mol/L、1×10-9mol/L,将每个浓度的溶液保存备用。为了排除上述7种金属离子对Hg2+与单个胸腺嘧啶探针结合过程产生干扰的可能性,在本实验中,我们设计在以上7种金属中加入Hg2+配制新的混合金属溶液与胸腺嘧啶探针进行反应。胸腺嘧啶探针的离子选择性检测结果如图12所示。图12中“有汞离子存在的拟合曲线”即为Hg、Na、K、Cd、Zn、Co、Cu、Fe八种离子混合溶液的拟合曲线,这条拟合曲线与仅有汞离子存在的拟合曲线一直。“没有汞离子存在的拟合曲线”即为仅有Na、K、Cd、Zn、Co、Cu、Fe七种离子混合溶液的拟合曲线,说明其他七种干扰离子不与探针发生反应,证明探针仅特异性检测汞离子。
实施例2
金纳米粒子(AuNRs)的制备与实施例1相同。
胸腺嘧啶探针的制备步骤与实施例1基本相同,其中甲苯超声热处理水浴温度为70℃,胸腺嘧啶T溶液的浓度为1×10-2mol/L,静置时间为24h。T@Au NR胸腺嘧啶探针的SERS信号如图2中A所示。
对汞离子浓度的测定结果如表2所示。
表2
样品序号 Hg<sup>2+</sup>实际浓度(M) Hg<sup>2+</sup>测定浓度(M) 误差(%)
1 10<sup>-1</sup> 0.955×10<sup>-1</sup> 4.5
2 10<sup>-3</sup> 0.956×10<sup>-3</sup> 4.4
3 10<sup>-5</sup> 1.048×10<sup>-5</sup> 4.8
4 10<sup>-7</sup> 1.071×10<sup>-7</sup> 7.1
5 10<sup>-9</sup> 1.087×10<sup>-9</sup> 8.7
6 10<sup>-10</sup> 1.094×10<sup>-10</sup> 9.4
实施例3
金纳米粒子(Au NRs)的制备与实施例1相同。
胸腺嘧啶探针的制备步骤与实施例1基本相同,其中甲苯超声热处理水浴温度为100℃,胸腺嘧啶T溶液的浓度为1×10-4mol/L,静置时间为24h,甲苯与金纳米粒子的体积为3∶1。单个胸腺嘧啶探针的SERS信号如图2中C所示。
对汞离子浓度的测定结果如表3所示。
表3
样品序号 Hg<sup>2+</sup>实际浓度(M) Hg<sup>2+</sup>测定浓度(M) 误差(%)
1 10<sup>-1</sup> 0.946×10<sup>-1</sup> 5.4
2 10<sup>-3</sup> 0.944×10<sup>-3</sup> 5.6
3 10<sup>-5</sup> 1.054×10<sup>-5</sup> 5.4
4 10<sup>-7</sup> 1.081×10<sup>-7</sup> 8.1
5 10<sup>-9</sup> 0.907×10<sup>-9</sup> 9.3
6 10<sup>-10</sup> 1.102×10<sup>-10</sup> 10.2
实施例4
金纳米粒子的制备与实施例1相同。
胸腺嘧啶探针的制备步骤与实施例1基本相同,区别在于金纳米粒子在混合前不经甲苯超声热处理,混合超声时间为30min,静置时间为3h。单个胸腺嘧啶探针的SERS信号如图3中A所示。
对汞离子浓度的测定结果如表4所示。
表4
样品序号 Hg<sup>2+</sup>实际浓度(M) Hg<sup>2+</sup>测定浓度(M) 误差(%)
1 10<sup>-1</sup> 0.914×10<sup>-1</sup> 8.6
2 10<sup>-3</sup> 0.903×10<sup>-3</sup> 9.7
3 10<sup>-5</sup> 1.112×10<sup>-5</sup> 11.2
4 10<sup>-7</sup> 1.0128×10<sup>-7</sup> 12.8
5 10<sup>-9</sup> 1.133×10<sup>-9</sup> 13.3
6 10<sup>-10</sup> 1.145×10<sup>-10</sup> 14.5
对比例1
采用常规的多个胸腺嘧啶制备的探针SERS测定汞离子浓度。
对汞离子浓度的测定结果如表5所示。
表5
样品序号 Hg<sup>2+</sup>实际浓度(M) Hg<sup>2+</sup>测定浓度(M) 误差(%)
1 10<sup>-1</sup> 0.899×10<sup>-1</sup> 10.1
2 10<sup>-2</sup> 0.892×10<sup>-2</sup> 10.8
3 10<sup>-3</sup> 1.112×10<sup>-3</sup> 11.2
4 10<sup>-4</sup> 1.125×10<sup>-4</sup> 12.5
5 10<sup>-5</sup> 1.133×10<sup>-5</sup> 13.3
6 10<sup>-6</sup> 1.151×10<sup>-6</sup> 15.1
7 10<sup>-7</sup> 1.158×10<sup>-7</sup> 15.8
8 10<sup>-8</sup> 1.166×10<sup>-8</sup> 16.6
9 10<sup>-9</sup> 1.169×10<sup>-9</sup> 16.9
10 10<sup>-10</sup> 1.180×10<sup>-10</sup> 18.1

Claims (7)

1.一种单个胸腺嘧啶探针的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:将金纳米粒子与胸腺嘧啶溶液混合,超声处理,然后将载片浸泡于溶液中,静置处理,取出载片吹干得到沉积于载片表面的单个胸腺嘧啶探针,胸腺嘧啶的浓度为1×10-2mol/L~1×10-4mol/L,金纳米粒子与胸腺嘧啶的摩尔比为1:1~1:5,超声时间大于等于2min,静置时间为大于等于3h;
所述载片在取出后用水重复冲洗表面大于等于3次;所述金纳米粒子在与胸腺嘧啶溶液混合前先经过甲苯预处理,预处理步骤为:在除去上清液的金纳米粒子中加入甲苯超声处理,在50℃~100℃下加热1-10min,超声时间大于等于2min,甲苯与金纳米粒子溶胶的体积为1:1~3:1;所述甲苯超声处理加热温度为60~70℃。
2.如权利要求1所述的单个胸腺嘧啶探针的制备方法,其特征在于,所述胸腺嘧啶的浓度为1×10-3mol/L。
3.如权利要求1所述的单个胸腺嘧啶探针的制备方法,其特征在于,所述静置时间为12~24h。
4.如权利要求1所述的胸腺嘧啶探针的制备方法,其特征在于,所述甲苯超声处理加热温度为65℃。
5.由权利要求1~4任一项所述的制备方法制备的单个胸腺嘧啶探针。
6.权利要求5所述的单个胸腺嘧啶探针在汞离子测定中的应用。
7.如权利要求6所述的单个胸腺嘧啶探针在汞离子测定中的应用,其特征在于,以拉曼峰面积为指标建立工作曲线。
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