CN108414339B - 一种二氧化硅自组装的微胶囊对内分泌干扰物的富集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于低浓度内分泌干扰物的富集技术领域，具体公开了一种两亲性二氧化硅自组装的微胶囊对内分泌干扰物的富集方法。其方法为：以四乙氧基硅烷为前驱体，用表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵和聚氧乙烯月桂醚修饰得到两亲性二氧化硅颗粒，再将其作为膜材料分散在含有内分泌干扰物的污水中，添加少量的醇类或烷烃类或油酸或橄榄油作为油相，自组装形成水包油结构的微胶囊。该微胶囊萃取方法可使污水中低浓度内分泌干扰物（如酚类或钛酸酯类等）在微胶囊中富集，达到较高浓度，便于后续处理。该方法与传统的液‑液微萃取、固液微萃取相比，操作简单，富集效果较好，膜材料可以重复回收再利用，便于后续分析和进行无毒化处理。
Description
技术领域
本发明涉及低浓度内分泌干扰物的富集技术领域，具体涉及一种二氧化硅自组装的微胶囊对内分泌干扰物的富集方法。
背景技术
环境内分泌干扰物一般由人类排放的天然和人工合成内分泌干扰物主要进入污水系统，并通过污水处理厂处理后排放到地表水和沉积物中，鱼类、野生动物因此受到污染，进而人类通过饮用水和高级食物链而受到危害。虽然环境内分泌干扰物的污染越来越严重，但总的来说，其在环境中的浓度仍然比较低(ppt-ppb水平)，且存在复杂基质的干扰，前处理是痕量环境内分泌干扰物分析中不可缺少的重要环节，需要将其富集起来，以供高灵敏度、高效率的检测痕量内分泌干扰物的需要。传统的样品前处理方法，如索氏提取、液液萃取等，大多具有操作复杂、工作强度大、处理周期长、有机溶剂损耗大、萃取效率低等缺点。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供了二氧化硅自组装的微胶囊对内分泌干扰物的富集方法。该微胶囊萃取方法(DLCME)可使污水中低浓度内分泌干扰物(如酚类或钛酸酯类等)在微胶囊中富集，达到较高浓度，便于后续处理。
为了实现上述技术目的，本发明采取了如下技术措施：
一种二氧化硅自组装的微胶囊对内分泌干扰物的富集方法，其步骤如下：
(1)两亲性二氧化硅颗粒的制备：
将十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和聚氧乙烯月桂醚溶解在缓冲液中，升温至80℃，待溶液均一时，将四乙氧基硅烷(TEOS)逐滴加入到上述表面活性剂的溶液当中，磁力搅拌反应20h。反应完成后离心分离，用乙醇洗涤5次，在60℃下真空干燥48小时。
上述反应体系中试剂的用量CTAB：聚氧乙烯月桂醚：缓冲液：TEOS＝0.30g～0.90g：0.10g～0.30g：100mL：2mL，优选为0.60g：0.20g：100mL：2mL，其中CTAB和聚氧乙烯月桂醚的质量比为3:1。
所述缓冲液的配制方法为：将氢氧化钠和磷酸二氢钠溶于去离子水中而得，其中氢氧化钠：磷酸二氢钠：去离子水＝0.16g：0.68g：100ml。
(2)二氧化硅自组装成微胶囊：
取步骤(1)得到的两亲性二氧化硅颗粒置于容器中，加入A相，充分超声分散，然后将B相加入，剧烈震荡，即得；
所述A相为水相，所述B相为油相；
所取两亲性的二氧化硅颗粒与A相的比例为5mg：2ml；
所取两亲性的二氧化硅颗粒与B相的比例为5mg：100μl；
所述水相为含有内分泌干扰物的污水；
所述含有内分泌干扰物的污水中内分泌干扰物浓度为1～10mg/L；
所述内分泌干扰物包括酚类内分泌干扰物和/或酞酸酯类内分泌干扰物；
所述酚类内分泌干扰物包括双酚A(BPA)；
所述酞酸酯类内分泌干扰物包括邻苯二甲酸二甲酯(DMP)和/或邻苯二甲酸二乙酯(DEP)。
所述油相为对环境低污染的烷烃、醇类或植物油脂；
进一步，所述油相为正己醇、正辛醇、正己烷、环己烷、正庚烷、十二烷、油酸或橄榄油。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果如下：
与常见的富集方法如液-液分散微萃取(DLLME)、中空纤维液相微萃取(LPME)、磁力搅拌棒吸附萃取相比(SBSE)进行性能比较，本方法体现出具有较好的富集指数、回收率，富集所需时间短，并且膜材可以重复回收再利用的特点，是一种环境友好的富集方法。
附图说明
图1为本发明制备方法的步骤(1)合成的两亲性二氧化硅自组装成的水包油微胶囊的模式图，白色小球代表二氧化硅颗粒，深灰色大圆球为有机相，即B相，有机相可以为环己烷、正己烷、正庚烷、十二烷、正己醇、正辛醇、油酸或橄榄油，二氧化硅颗粒在水油相混合环境中发生自组装，形成了具有水/油界面稳定性的水包油微胶囊体系。
图2为实施例1步骤(1)得到的两亲性二氧化硅颗粒经水洗、醇洗和经酸洗后的傅里叶变换红外光谱图谱(FTIR)。
图3为实施例1步骤(1)得到的两亲性二氧化硅颗粒经水洗、醇洗和经酸洗后的XRD谱图。
图4为实施例1步骤(1)得到的两亲性二氧化硅颗粒的透射电子显微镜图4(a)和扫描电子显微镜图4(b)。
图5为实施例2制备得到的二氧化硅自组装微胶囊的光学显微镜图5(a)和荧光显微镜图5(b)、5(c)。
图6为不同油相对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中10mg/L BPA的效果对比图。
图7为不同油相对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中10mg/L DMP的效果对比图。
图8为不同油相对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中5mg/L DEP的效果对比图。
图9为不同油相对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中10mg/L BPA的速率影响对比图。
图10为不同油相对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中10mg/L DMP的速率影响对比图。
图11为不同油相对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中5mg/L DEP的速率影响对比图。
图12为不同离子强度条件对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中10mg/LDMP的影响对比图。
图13为以溶解有5mg/L的腐植酸1mg/L DMP的污水为水相，十二烷做有机相，不同pH值条件对二氧化硅自组装的微胶囊富集污水中低浓度DMP的影响对比图。
图14为以溶解有5mg/L的腐植酸1mg/L DMP的污水为水相，油酸做有机相，不同pH值条件对二氧化硅自组装的微胶囊富集污水中低浓度DMP的影响对比图。
图15为以溶解有5mg/L的腐植酸1mg/L DMP的污水为水相，正辛醇做有机相，不同pH值条件对二氧化硅自组装的微胶囊富集污水中低浓度DMP的影响对比图。
图16为重复回收二氧化硅颗粒自组装微胶囊对DMP富集效果的影响对比图。
具体实施方式
下面申请人将结合具体的实施例对本发明产品的制备过程及应用过程做详细说明，便于本领域技术人员清楚地理解本发明。但应该理解，以下实施例不应以任何方式被解释为对本申请权利要求书请求保护范围的限制。
以下各实施例中所采用的材料与试剂均为常规市售化学试剂，有机相长链烷烃类、醇类、植物油脂类包含但不仅限于本发明中所使用到的。
含有内分泌干扰物的污水为用梯度法分别配制的浓度为1～10mg/L的BPA、DMP、DEP溶液。
对使用微胶囊进行内分泌干扰物(为BPA、DMP或DEP)富集的方法，使用富集指数(Enrichment Factor，EF)，富集回收比率(Enrichment Recovery Ratio，ER％)和吸附指数进行评价(Adsorption Ratio，AR％)，这三种指标的计算公式如下：
式中，c0、vaq为富集前模拟污水中内分泌干扰物的浓度和模拟污水的体积，cextr和vextr为富集后富集相中的内分泌干扰物的浓度和富集相的体积，caq为富集后水相中的内分泌干扰物的浓度。
实施例1(产品制备):
一种二氧化硅自组装的微胶囊，其制备步骤如下：
(1)两亲性二氧化硅颗粒的制备：
将0.60gCTAB和0.20g聚氧乙烯月桂醚Brij56溶解在100毫升的搅拌均匀的缓冲液(0.16g的氢氧化钠和0.68g磷酸二氢化钠)中，升温至80℃，待溶液均一时，将2.00mL的TEOS逐滴加入到上述表面活性剂的溶液当中，磁力搅拌反应20h。反应完成后离心分离，用乙醇洗涤5次，在60℃下真空干燥48小时得两亲性二氧化硅颗粒80mg。
(2)二氧化硅自组装的微胶囊制备：
取步骤(1)得到的两亲性二氧化硅颗粒5mg分别置于八支试管中，加入2ml的10mg/L的BPA溶液作为水相，充分超声分散；然后向八只试管中各加入100μl环己烷、正己烷、正庚烷、十二烷、正己醇、正辛醇、油酸和橄榄油，置于翻转机以80rad/min的速度翻转2小时。
静置30日，未见水油相分层现象，自组装的微胶囊能够长期稳定存在。
将步骤(1)得到的两亲性二氧化硅颗粒进行傅里叶变换红外光谱分析，得到图2，从图2可以看出：将得到的两亲性二氧化硅颗粒样品经过水洗、醇洗后，其红外吸收谱线与典型的二氧化硅吸收谱线一致，并在3000cm-1波数左右，有一组吸收峰，这组吸收峰属于在合成过程中作为结构导向剂的CTAB表面活性剂结构中的长链烷烃结构；而将得到的两亲性二氧化硅颗粒样品经过酸洗(盐酸洗)后，该组吸收峰消失，证明经过酸洗的样品，其样品中残留的CTAB表面活性剂已经被洗除，并其主要成分依旧为典型的二氧化硅。
将步骤(1)得到的两亲性二氧化硅颗粒进行XRD分析，得到图3，从图3可以看出：在合成步骤(1)结束后，将得到的两亲性二氧化硅颗粒样品经过水洗、醇洗后，其XRD特征衍射峰显示出一个低结晶度的宽、大峰，其2θ＝22.118°，峰高较高，该特征谱线与既有文献中低结晶度二氧化硅的特征谱线一致；而将得到的两亲性二氧化硅颗粒样品经过酸洗后，XRD特征谱线未见明显变化，峰宽、峰强并无明显改变，证明酸洗过程对样品的晶体组成并无显著影响，仍为低结晶度二氧化硅。
将步骤(1)得到的两亲性二氧化硅颗粒的形貌使用透射电子显微镜和扫描电子显微镜进行观察，得到图4，从图4可以看出：样品主要呈球状，表面具有大量的孔道样结构，其大小较为均一，平均直径在100～110nm左右，是一种典型的二氧化硅纳米球。其表面孔道不规则分布，应具有较好的吸附性能和较大的比表面积。
实施例2(微胶囊形貌观察):
一种两亲性二氧化硅自组装的微胶囊，其制备步骤如下：
(1)两亲性二氧化硅颗粒的制备：
制备方法同实施例1步骤(1)。
(2)二氧化硅自组装的微胶囊制备：
取步骤(1)得到的两亲性二氧化硅颗粒5mg置于试管中，加入2ml浓度为5mmol/L的钙黄绿素溶液，充分超声分散；然后向试管中加入100μl十二烷配制成浓度为10mmol/L的尼罗红染料，置于翻转机以80rad/min的速度翻转2小时。
在荧光显微镜下观察步骤(2)中形成的微胶囊形貌，得到图5(a)，发现其尺寸在100μm到500μm，通过水溶性的钙黄绿素图5(b)和油溶性的尼罗红图5(c)荧光染料染色的微胶囊可知，形成的是水包油的微胶囊。
实施例3(模拟应用实验):二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度BPA的应用实验
分别取按实施例1步骤(1)制备得到的两亲性二氧化硅颗粒5mg置于八支试管中，各加入2ml浓度为10mg/L的双酚A(BPA)溶液，充分超声分散；然后向八支试管中各加入100μl环己烷、正己烷、正庚烷、十二烷、正己醇、正辛醇、油酸和橄榄油，置于翻转机以80rad/min的速度翻转24小时，充分富集达到平衡。
应用高效液相色谱检测有机相和残留在水相中BPA的浓度，评价富集效果。
图6为不同油相对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度BPA的效果对比图。其中正辛醇作为油相时的富集效率最高，EF为38，总体来说醇类的富集效果好于油脂类和长链烷烃类。
实施例4(模拟应用实验):二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DMP的应用实验
分别取按实施例1步骤(1)制备得到的两亲性二氧化硅颗粒5mg置于八支试管中，各加入2ml浓度为10mg/L的邻苯二甲酸二甲酯(DMP)水溶液，充分超声分散；然后向八支试管中各加入100μl环己烷、正己烷、正庚烷、十二烷、正己醇、正辛醇、油酸和橄榄油，置于翻转机以80rad/min的速度翻转24小时，充分富集达到平衡。
应用高效液相色谱检测有机相和残留在水相中DMP的浓度，评价富集效果。
图7为不同油相对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DMP的效果对比图。其中正辛醇的富集效率最高，EF为67，总体来说醇类的富集效果好于油脂类和长链烷烃类。
实施例5(模拟应用实验):二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DEP的应用实验
分别取按实施例1步骤(1)制备得到的两亲性二氧化硅颗粒5mg置于八支试管中，各加入2ml浓度为5mg/L的邻苯二甲酸二乙酯(DEP)水溶液，充分超声分散；然后向八支试管中各加入100μl环己烷、正己烷、正庚烷、十二烷、正己醇、正辛醇、油酸和橄榄油，置于翻转机以80rad/min的速度翻转24小时，充分富集达到平衡。
应用高效液相色谱检测有机相和残留在水相中DEP的浓度，评价富集效果。
图8为不同油相对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DEP的效果对比图。其中正辛醇的富集效率最高，EF为72，总体来说醇类的富集效果好于油脂类和长链烷烃类。
实施例6(模拟应用实验):二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中BPA速率的应用实验
分别取按实施例1步骤(1)制备得到的两亲性二氧化硅颗粒5mg置于3支试管中，选择使用2mL浓度为10mg/L双酚A(BPA)水溶液作为水相，分别以100μl十二烷、正辛醇、油酸为油相，自组装成微胶囊体系，在翻转机上以80rad/min的速度翻转24小时，不同时间取样，用高效液相色谱检测有机相和残留在水相中BPA的浓度，分析其富集速率和平衡时间。
图9为不同油相对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度BPA的速率影响对比图。发现在100min内三种微胶囊均基本达到富集平衡，正辛醇的富集效果最好，十二烷的富集速率最快。
实施例7(模拟应用实验):二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DMP速率的应用实验
分别取按实施例1步骤(1)制备得到的两亲性二氧化硅颗粒5mg置于3支试管中，选择使用2mL浓度为10mg/L邻苯二甲酸二甲酯(DMP)水溶液作为水相，分别以100μl十二烷、正辛醇、油酸为油相，自组装成微胶囊体系，在翻转机上以80rad/min的速度翻转24小时，不同时间取样，用高效液相色谱检测有机相和残留在水相中DMP的浓度，分析其富集速率和平衡时间。
图10为不同油相对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DMP的速率影响对比图。发现在100min内三种微胶囊均基本达到富集平衡，正辛醇的富集效果最好，十二烷的富集速率最快。
实施例8(模拟应用实验):二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DEP速率的应用实验
分别取按实施例1步骤(1)制备得到的两亲性二氧化硅颗粒5mg置于3支试管中，选择使用2mL浓度为5mg/L邻苯二甲酸二乙酯(DEP)水溶液作为水相，分别以100μl十二烷、正辛醇、油酸为油相，自组装成微胶囊体系，在翻转机上以80rad/min的速度翻转24小时，不同时间取样，用高效液相色谱检测有机相和残留在水相中DEP的浓度，分析其富集速率和平衡时间。
图11为不同油相对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DEP的速率影响对比图。发现在100min内三种微胶囊均基本达到富集平衡，正辛醇的富集效果最好，十二烷的富集速率最快。
实施例9(模拟应用实验):不同离子强度条件对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DMP的影响实验
分别取按实施例1步骤(1)制备得到的两亲性二氧化硅颗粒5mg置于5支试管中，依次选择质量分数为0％、2％、4％、6％、8％的氯化钠溶液配制成的10mg/L邻苯二甲酸二甲酯(DMP)水溶液2mL作为水相，100μl油酸为油相，自组装成微胶囊体系，在翻转机上以80rad/min的速度翻转24小时，充分富集达到平衡。
应用高效液相色谱检测有机相和残留在水相中DMP的浓度，分析不同离子强度对富集效果的影响。
图12为不同离子强度条件对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DMP的影响对比图。在一定氯化钠离子强度范围内(质量分数为0％～8％)，离子强度对富集效果影响不大。
实施例10(模拟应用实验):不同pH值条件对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DMP的影响实验
分别取按实施例1步骤(1)制备得到的两亲性二氧化硅颗粒5mg置于3支试管中，分别选择pH值为6、8、10，溶解有5mg/L的腐植酸，浓度为1mg/L邻苯二甲酸二甲酯(DMP)水溶液2mL作为水相，100μl十二烷为油相，自组装成微胶囊体系，在翻转机上以80rad/min的速度翻转24小时，充分富集达到平衡。
应用高效液相色谱检测有机相和残留在水相中DMP的浓度，分析不同pH条件对富集效果的影响。
图13为不同pH值条件对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DMP的影响对比图。在pH为6-10条件下，微胶囊能够稳定存在，富集效果也变化不大。
在自然水体中，存在的内分泌干扰物极低，还存在腐植酸等天然有机质，会对微胶囊体系富集内分泌干扰物会造成一定的干扰。应用实验组选用浓度为1mg/L BPA，溶解有5mg/L的腐植酸的污水。
实施例11(模拟应用实验):不同pH值条件对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DMP的影响实验
分别取按实施例1步骤(1)制备得到的两亲性二氧化硅颗粒5mg置于3支试管中，分别选择pH值为6、8、10，溶解有5mg/L的腐植酸，浓度为1mg/L邻苯二甲酸二甲酯(DMP)水溶液2mL作为水相，100μl油酸为油相，自组装成微胶囊体系，在翻转机上以80rad/min的速度翻转24小时，充分富集达到平衡。
应用高效液相色谱检测有机相和残留在水相中DMP的浓度，分析不同pH条件对富集效果的影响。
图14为不同pH值条件对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DMP的影响对比图。在pH为6-10条件下，微胶囊能够稳定存在，富集效果也变化不大。
实施例12(模拟应用实验):不同pH值条件对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DMP的影响实验
分别取按实施例1步骤(1)制备得到的两亲性二氧化硅颗粒5mg置于3支试管中，分别选择pH值为6、8、10，溶解有5mg/L的腐植酸，浓度为1mg/L邻苯二甲酸二甲酯(DMP)水溶液2mL作为水相，100μl正辛醇为油相，自组装成微胶囊体系，在翻转机上以80rad/min的速度翻转24小时，充分富集达到平衡。
应用高效液相色谱检测有机相和残留在水相中DMP的浓度，分析不同pH条件对富集效果的影响。
图15为不同pH值条件对二氧化硅自组装的微胶囊富集模拟污水中低浓度DMP的影响对比图。在pH为6-10条件下，微胶囊能够稳定存在，富集效果变化不大。
实施例13(模拟应用实验):二氧化硅的重复回收利用性研究
取按实施例1步骤(1)制备得到的两亲性二氧化硅颗粒5mg置于试管中，选择使用2mL浓度为1mg/L邻苯二甲酸二甲酯(DMP)水溶液作为水相，100μl油酸为油相，自组装成微胶囊体系，在翻转机上以80rad/min的速度翻转24小时，充分富集达到平衡。
应用高效液相色谱检测有机相和残留在水相中DMP的浓度，先后用去离子水、无水乙醇洗涤过滤、真空干燥后重复回收利用二氧化硅颗粒20次，分析其富集DMP的效果变化。
图16为重复回收二氧化硅颗粒自组装微胶囊对DMP富集效果的影响对比图。发现重复利用二氧化硅回收率高，能够继续形成稳定的微胶囊，富集效果基本不变。
Claims (7)
1.一种二氧化硅自组装的微胶囊对内分泌干扰物的富集方法，其步骤如下：
（1）两亲性二氧化硅颗粒的制备：
将十六烷基三甲基溴化铵和聚氧乙烯月桂醚溶解在缓冲液中，升温至80℃，待溶液均一时，将四乙氧基硅烷逐滴加入到上述表面活性剂的溶液当中，磁力搅拌反应20h，反应完成后离心分离，用乙醇洗涤5次，在60℃下真空干燥48小时；
上述反应体系中，十六烷基三甲基溴化铵：聚氧乙烯月桂醚：缓冲液：四乙氧基硅烷=0.30g~0.90g：0.10g~0.30g：100mL：2.00mL，其中十六烷基三甲基溴化铵和聚氧乙烯月桂醚的质量比为3:1；
所述缓冲液的配制方法为：将氢氧化钠和磷酸二氢钠溶于去离子水中得到，三者用量比例为氢氧化钠：磷酸二氢钠：去离子水=0.16g：0.68g：100ml；
（2）二氧化硅自组装成微胶囊：
取步骤（1）得到的两亲性二氧化硅颗粒置于容器中，加入A相，充分超声分散，然后将B相加入，剧烈震荡，即得；
所述A相为水相，所述B相为油相；
所取两亲性的二氧化硅颗粒与A相的比例为5mg：2ml；
所取两亲性的二氧化硅颗粒与B相的比例为5mg：100μl；
所述水相为含有内分泌干扰物的污水；
所述内分泌干扰物包括酚类内分泌干扰物和/或酞酸酯类内分泌干扰物；
所述油相为对环境低污染的烷烃、醇类或植物油脂。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化硅自组装的微胶囊对内分泌干扰物的富集方法，其特征在于：所述含有内分泌干扰物的污水中内分泌干扰物浓度为1~10mg/L。
3.根据权利要求1所述的一种二氧化硅自组装的微胶囊对内分泌干扰物的富集方法，其特征在于：所述酚类内分泌干扰物包括双酚A。
4.根据权利要求1所述的一种二氧化硅自组装的微胶囊对内分泌干扰物的富集方法，其特征在于：所述酞酸酯类内分泌干扰物包括邻苯二甲酸二甲酯和/或邻苯二甲酸二乙酯。
5.根据权利要求1所述的一种二氧化硅自组装的微胶囊对内分泌干扰物的富集方法，其特征在于：所述油相为正己醇、正辛醇、正己烷、环己烷、正庚烷、十二烷、油酸或橄榄油。
6.根据权利要求1所述的一种二氧化硅自组装的微胶囊对内分泌干扰物的富集方法，其特征在于：所述含有内分泌干扰物的污水的pH值为6~10。
7.根据权利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于：将所述二氧化硅自组装的微胶囊中的两亲性二氧化硅颗粒回收后重复利用。
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