CN114878658A - 基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极的制备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极的制备,具体步骤为:以碳纤维为基底碳材料,将其用导电银胶粘附到铜线上,穿入玻璃管中并用石蜡密封,得到具有一定催化性能的碳纤维微电极;然后浸入特定比例的双贵金属前驱液中,利用电沉积技术将双贵金属合金纳米材料沉积到碳纤维微电极表面,形成具有良好催化性能与生物相容性的电化学界面,用于活性氧传感检测。本发明构建的双贵金属合金修饰的碳纤维微电极具有灵敏度高、选择性好、响应速度快、线性范围宽、制备方法简便、重复性及稳定性好的特点,能够对活性氧进行灵敏、高效的定量检测,并适用于实时监测活性氧。
Description
技术领域
本发明涉及一种微电极以及其制备方法,更具体地说是一种基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极的制备。
背景技术
活性氧(ROS)是体内细胞在代谢过程中所产生的高活性的含氧物质,它的生成与清除平衡和细胞内稳态、宿主防御机制息息相关。活性氧可以穿过生物膜,并且涉及许多细胞过程,包括信号转导、免疫防御与氧化应激,也是识别多种疾病的重要生物标志物和药物评价的重要指标,在细胞中检测活性氧浓度能够了解一些重大疾病如炎症、癌症、糖尿病、动脉硬化、心肌梗死、帕金森症、阿尔茨海默病等的生理与病理过程,因此实现生物体内活性氧的实时与定量检测具有重要意义。
到目前为止,已有多种技术被用于细胞内活性氧含量的测定,主要有滴定法、比色法、荧光法、液质联用、化学发光法、分光光度法以及电化学方法等。其中电化学方法不仅可以快速、高灵敏度、高准确度、高选择性、低信噪比地检测活性氧,还可以直接在动物体内实时研究生理过程。电化学传感器,特别是基于酶的传感器,由于其高特异性和高灵敏度的优点而引起了更多的关注。然而它的实际应用受到一些固有缺点的限制,包括成本高,修饰过程复杂,受温度、湿度和pH等环境因素的影响很大。
目前,非酶电化学传感器因其成本低、耐用性高、重复性好和易于操作的特点在商业应用中受到广泛关注。能够修饰纳米复合材料的微电极由于其尖端直径与细胞大小相似,是一种很有前途的实时监测活细胞内活性氧的方法,微尖可以很容易地应用于细胞微系统,并将损伤降至最低。近年来,碳纤维以其良好的生物相容性、高性价比和良好的性能成为制备微电极的首选材料。这类简便、实用、高比表面积、生物相容性好的用于检测活性氧的碳纤维微电极具有巨大的应用价值。
双金属纳米材料作为一种重要的电催化剂,具有稳定性好、结构灵活、便于大规模制备等优点,已经广泛应用于免疫检测、生物传感、神经保护、干细胞生长、污染物去除以及癌症诊断与治疗等众多领域。双金属纳米材料具有类过氧化物酶活性,可用来解决天然酶在农化制造、制药工程、食品工业和生物传感中所面临的问题,并且能够作为天然酶的替代物用于活性氧的电化学检测。由于协同效应,双金属纳米材料往往表现出比其单金属对应物更高的电催化效率、更好的催化选择性和更优的稳定性,第二种金属的加入也能够使金属粒子的形状、尺寸、表面形貌、化学和物理性质等方面发生较大的变化。
目前,双金属纳米颗粒的制备方法有很多,包括溶液相法、声化学法、激光烧蚀法和电化学方法等,其中电化学方法虽不适用于批量制备双金属纳米颗粒,但在控制粒径、成分和纯度等方面具有一定的优势,并且在制备分散良好的金属纳米颗粒方面表现出独到的优势。在各种双金属纳米材料中,具有优异的导电性和较大比表面积的金铂,金银,金钯,铂银,铂钯和钯银双金属材料合金脱颖而出。双金属纳米材料之间的高度协同作用以及其固有的多孔结构为活性氧的电催化提供了良好的电子传递途径,从而改善电化学检测性能以增强电流响应。因此,利用电沉积方法在微电极系统中引入双金属纳米材料对活性氧进行灵敏、高效的检测具有重要的意义和应用前景。
发明内容
为了克服上述现有技术中的问题,本发明目的在于提供一种基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极及其制备方法。
本发明的技术方案:
一种基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极的制备,其具体步骤为:
(1)碳纤维微电极(CFME)的制备:
以碳纤维为基底碳材料,将其用导电银胶粘附到铜线上,穿入玻璃管中用石蜡密封,得到具有一定催化性能的CFME;
(2)活性氧传感器的制备:
将活化并挑选好的CFME浸入特定比例的双贵金属前驱液中,将双贵金属合金纳米材料电沉积到CFME表面,形成具有良好催化性能与生物相容性的电化学界面;得到活性氧传感器。
一种基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极的制备,其具体步骤为:
(1)CFME的制备的具体步骤如下:
将适当长度的硼硅酸盐毛细玻璃管用P-2000激光拉针仪拉成尖端直径在适度范围内的微管,在无水乙醇中超声清洗5min,干燥,备用;将商业碳纤维(直径7μm,GTF-700,顾特服上海贸易有限公司)置于丙酮、无水乙醇、超纯水中各超声清洗5min,以除去其表面的附着物,室温下干燥24h;将碳纤维修剪至适当长度,使用导电银胶将其与导电铜丝(直径为0.2mm,长度为60mm)连接,室温下干燥24h,最后将其穿入拉制好的空心毛细玻璃微管中,将暴露在外部的碳纤维剪至适当长度;80℃水浴加热石蜡溶液使其融化,垂直将玻璃微管的尾端插入其中,当石蜡占据微管约2/3时取出,清理多余石蜡,室温下冷却;将封住尾端的微管尖端朝下垂直置于80℃的烘箱中,利用重力作用使融化的石蜡流到碳纤维与微管的接口处,约30min后关闭烘箱并自然冷却,以实现电极的密封,得到CFME。
所述的贵金属合金纳米材料为金铂(AuPt),金银(AuAg),金钯(AuPd),铂银(PtAg),铂钯(PtPd)和钯银(PdAg)双金属材料中的一种或几种。
所述的电沉积为恒电位、恒电流、循环伏安、线性扫描伏安电沉积中的一种或几种,优选为恒电位或循环伏安电沉积。
所述的贵金属前驱液是指六水合氯铂酸(H2PtCl6·6H2O)及其盐类化合物的硫酸溶液,四氯金酸水合物(HAuCl4·4H2O)及其盐类化合物的硫酸溶液,氯钯酸钠(Na2PdCl4)及其盐类化合物的硫酸溶液以及硝酸银(AgNO3)及其盐类化合物的硫酸溶液中的一种。
所述的特定贵金属前驱液的比例是4:1,3:2,1:1,2:3和1:4。
所述的特定贵金属前驱液的比例是指HAuCl4·4H2O及其盐类化合物的硫酸溶液:H2PtCl6·6H2O及其盐类化合物的硫酸溶液摩尔比依次为4:1,3:2,1:1,2:3和1:4;
HAuCl4·4H2O及其盐类化合物的硫酸溶液:AgNO3的硫酸溶液摩尔比依次为4:1,3:2,1:1,2:3和1:4;
HAuCl4·4H2O及其盐类化合物的硫酸溶液:Na2PdCl4的硫酸溶液摩尔比依次为4:1,3:2,1:1,2:3和1:4;
H2PtCl6·6H2O及其盐类化合物的硫酸溶液:AgNO3的硫酸溶液摩尔比依次为4:1,3:2,1:1,2:3和1:4;
H2PtCl6·6H2O及其盐类化合物的硫酸溶液:Na2PdCl4的硫酸溶液摩尔依次为4:1,3:2,1:1,2:3和1:4;
Na2PdCl4的硫酸溶液:AgNO3的硫酸溶液摩尔依次为4:1,3:2,1:1,2:3和1:4;
优选为:
所述的特定贵金属前驱液的比例是指HAuCl4·4H2O及其盐类化合物的硫酸溶液:H2PtCl6·6H2O及其盐类化合物的硫酸溶液摩尔比依次为4:1,3:2,1:1,2:3和1:4;
HAuCl4·4H2O及其盐类化合物的硫酸溶液:AgNO3的硫酸溶液摩尔比依次为4:1,3:2,1:1,2:3和1:4;
HAuCl4·4H2O及其盐类化合物的硫酸溶液:Na2PdCl4的硫酸溶液摩尔比依次为4:1,3:2,1:1,2:3和1:4;
H2PtCl6·6H2O及其盐类化合物的硫酸溶液:AgNO3的硫酸溶液摩尔比依次为4:1,3:2,1:1,2:3和1:4;
H2PtCl6·6H2O及其盐类化合物的硫酸溶液:Na2PdCl4的硫酸溶液摩尔依次为4:1,3:2,1:1,2:3和1:4;
Na2PdCl4的硫酸溶液:AgNO3的硫酸溶液摩尔依次为4:1,3:2,1:1,2:3和1:4。
(2)活性氧传感器的制备的具体步骤为:
a微电极的活化与挑选:将制备好的CFME依次分别在丙酮、硝酸、无水乙醇以及超纯水中浸泡60min,将清洗好的CFME在硫酸中进行活化,并清洗,根据循环伏安曲线(CV)进行CFME的挑选,自然干燥后备用;
b将制备好的CFME浸入含有双贵金属前驱液中浸泡5min,使CFME的表面与特定比例的贵金属前驱液充分接触,然后电沉积一定时间(数秒或数分钟),并清洗,再将其浸入全氟聚苯乙烯磺酸膜Nafion(0.05wt%)溶液中,室温下晾干,得到修饰的CFME,即为活性氧传感器。
所述的处理好的碳纤维和玻璃微管尖端外的碳纤维的适当长度分别是指2~3cm和2~3mm。
所述的适当长度的微管和尖端直径在适度范围内的微管分别是指约7cm的和尖端直径在7~15μm范围内的微管。
所述的根据CV进行CFME的挑选是指采用CV,在0~+1.0V的电压范围内,以100mV/s的扫速扫描15圈,直至CV曲线基本重合,筛除不重合或无信号的CFME,清洗CFME。将活化好的CFME置于0.1M的PBS(pH 7.4)溶液中,在-0.6~0.6V的电压范围内,以100mV/s的速率扫描,根据得到的CV曲线挑选重复性好的CFME,自然干燥后备用。
与现有技术相比,本发明的基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极的制备,其积极效果是:
本发明的将活化且挑选好的CFME浸入到前驱液中,然后用电沉积法将双贵金属合金纳米材料修饰于CFME上。CFME为实时监控活性氧提供了有前途的方法,双贵金属合金纳米材料提高了对活性氧的电催化性能(图6),为活性氧与电极间提供了良好的电子传递途径;构建的双贵金属合金修饰的碳纤维微电极具有灵敏度高(图6b)、选择性好(图7b)、响应速度快(图6a)、线性范围宽(图6a)、制备方法简便、良好的重复性及稳定性的特点,能够实时监测活性氧,对其进行灵敏、高效的检测。
附图说明:
图1是根据实施例1制备的CFME的扫描电子显微镜(SEM)图。
图2是根据实施例2制备的基于贵金属合金的碳纤维微电极的SEM图。
图3是根据实施例2制备的基于贵金属合金的碳纤维微电极的能量色散X射线谱图(EDS)。
图4是根据实施例2制备的基于贵金属合金的碳纤维微电极的X射线衍射图(XRD)。
图5是根据实施例2制备的不同碳纤维微电极的奈奎斯特曲线(EIS)。
其中,a—未经修饰的CFME,b—金铂贵金属合金修饰的CFME(AuPt/CFME)。
图6是根据实施例2制备的AuPt/CFME用于检测H2O2的计时电流响应(a)和线性拟合图(b)。
图7是根据实施例2制备的AuPt/CFME用于检测H2O2的重复性以及选择性测试结果。
其中,a—5根不同的AuPt/CFME的计时电流响应图,b—在不断搅拌的0.1M PBS溶液中,连续加入不同物质时的计时电流响应图。
图8是根据实施例2制备的AuPt/CFME用于检测H2O2的稳定性测试结果。
其中,a—制备的AuPt/CFME在室温下放置20天的稳定性测试结果,b—制备的AuPt/CFME在一天内连续测量15次的稳定性测试结果。
具体实施方式:
以下提供本发明一种基于双贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维电极的制备的具体实施方式。
实施例1
CFME的制备、活化与挑选:
(1)微管的拉制
将约7cm的硼硅酸盐毛细玻璃管用P-2000激光拉针仪拉成尖端直径在7~15μm范围内的微管,在无水乙醇中超声清洗5min,干燥,备用。
(2)碳纤维的预处理
将商业碳纤维(直径7μm,GTF-700,顾特服上海贸易有限公司)置于丙酮、无水乙醇、超纯水中各超声清洗5min,室温下干燥24h,修剪至2~3cm。使用导电银胶将其与导电铜丝(直径:0.2mm,长度:60mm)连接,室温下干燥24h,然后将其穿入拉制好的空心毛细玻璃微管中,将暴露在玻璃微管尖端外的碳纤维剪至1-2mm。
(3)碳纤维的密封
80℃水浴加热石蜡溶液使其融化,垂直将玻璃微管的尾端插入其中,当石蜡占据微管约2/3时取出,清理尾端铜线沾有的多余石蜡,室温下冷却。为使融化的石蜡流到碳纤维与微管的接口处实现电极的密封,接着将微管尖端朝下垂直置于80℃的烘箱中加热30min,并自然冷却,完成CFME的制备。
(4)CFME的活化与挑选
将制备好的CFME依次分别在丙酮、2M HNO3、无水乙醇、和超纯水中浸泡60min进行清洁;然后,用0.5M H2SO4对CFME进行活化,先在+2.0V下维持30s,再在-1.0V下维持10s,然后采用CV技术在0~+1.0V的电压范围内,以100mV/s的扫速扫描15圈,直至CV曲线基本重合,清洗电极。将CFME置于0.1M的PBS(pH 7.4)溶液中,用CV(-0.6~0.6V,100mV/s)对其进行挑选。
实施例2
AuPt/CFME的制备
将制备好的CFME浸入含有2mM H2PtCl6·6H2O、3mM HAuCl4·4H2O、0.5M的硫酸沉积液中,并浸泡5min,使CFME的表面与沉积液充分接触。然后,在-0.2V的恒定电压下电沉积600s,清洗电极,再将其浸入Nafion(0.05wt%)溶液中,室温晾干,即得AuPt/CFME。
实施例3
AuAg/CFME的制备
将实施例2中的H2PtCl6·6H2O(及其盐类化合物)由硝酸银(AgNO3)替换,即可得到本案例中的一种具有良好催化性能与生物相容性的AuAg/CFME。
实施例4
AuPd/CFME的制备
实施例2中的H2PtCl6·6H2O(及其盐类化合物)可由氯钯酸钠(Na2PdCl4)替换,即可得到本案例中的一种具有良好催化性能与生物相容性的AuPd/CFME。
实施例5
PtAg/CFME的制备
实施例2中的HAuCl4·4H2O(及其盐类化合物)可由AgNO3替换,即可得到本案例中的一种具有良好催化性能与生物相容性的PtAg/CFME。
实施例6
PtPd/CFME的制备
实施例2中的HAuCl4·4H2O(及其盐类化合物)可由Na2PdCl4替换,即可得到本案例中的一种具有良好催化性能与生物相容性的PtPd/CFME。
实施例7
PdAg/CFME的制备
实施例6中的HAuCl4·4H2O(及其盐类化合物)可由AgNO3替换,即可得到本案例中的一种具有良好催化性能与生物相容性的PdAg/CFME。
实施例8
AuPt/CFME对H2O2的定量检测
利用计时电流法研究了该电极对H2O2的定量分析能力。具体操作为:在-0.4V工作电压下,于不断搅拌且除氧的0.1M PBS(pH 7.4)溶液中持续加入不同浓度的H2O2。结果显示,随着H2O2的不断加入,该电极的还原电流响应灵敏且迅速,并呈阶梯状逐渐增加。当H2O2浓度范围为2~299μM时,灵敏度为12150.5μA mM-1cm-2;当H2O2浓度在299~3199μM之间时,灵敏度为3811.6μAmM-1cm-2。此外,依据信噪比等于3(S/N=3)的原则,计算得到检测限为0.98μM。这些结果表明,该电极对H2O2的定量分析具有良好性能。
实施例8
AuPt/CFME的重复性以及选择性测试
(1)AuPt/CFME的重复性测试
在相同时间、相同方法下制备了5根AuPt/CFME,并用于测定其对200μMH2O2的响应,以评估其重复性。根据实验结果,这些电极的电流响应的相对标准偏差(RSD)为0.5%,表明AuPt/CFME具有较好的重复性。
(2)AuPt/CFME的选择性测试
使用计时电流法测试了AuPt/CFME的抗干扰能力,以排除生物体内一些其他的离子或小分子(如L-还原型谷胱甘肽(GSH)、尿酸(UA)、抗坏血酸(AA)、4-乙酰氨基苯酚(AP)、D-葡萄糖(Glucose)、Na+和Cl-)等潜在干扰物对H2O2的检测干扰。结果显示,当加入H2O2后,AuPt/CFME电流响应变化明显且迅速达到稳态电流;当加入不同的上述干扰物后,电流响应几乎不变,说明该电极对H2O2具有较好的选择性。
实施例9
AuPt/CFME的长期稳定性与多次测量稳定性测试
(1)AuPt/CFME的长期稳定性测试
使用计时电流法测定了同一根AuPt/CFME在20天内的电流响应,以探索其长期稳定性。结果显示,电极在20天内对于200μM H2O2的响应波动很小,RSD仅为0.9%;第20天时,响应为最初的98.4%,证明AuPt/CFME具有良好的长期稳定性。
(2)AuPt/CFME的多次测量稳定性评估
使用计时电流法重复多次记录了AuPt/CFME的电流响应,以研究其稳定性。结果显示,同根电极连续测定15次后,电流响应变化不大,为最初98.1%,且RSD仅为2.11%,表明电极具有良好的稳定性,能够重复使用多次。
实施例3-7制备AuAg/CFME,AuPd/CFME,PtAg/CFME,PtPd/CFME和PdAg/CFME等也分别进行了实施例8和9的试验,即:重复性以及选择性测试和长期稳定性与多次测量稳定性测试。试验结果均具有较好的重复性,对H2O2具有较好的选择性,以及均具有良好的长期稳定性和多次测量的稳定性,此处就不再赘述。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些也应视为本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极的制备,其特征在于,具体步骤为:
(1)碳纤维微电极(CFME)的制备:
以碳纤维为基底碳材料,将其用导电银胶粘附到铜线上,穿入玻璃管中并用石蜡密封,得到具有一定催化性能的CFME;
(2)活性氧传感器的制备:
将活化并挑选好的CFME浸入特定比例的双贵金属前驱液中,将双贵金属合金纳米材料电沉积到CFME表面,形成具有良好催化性能与生物相容性的电化学界面;得到活性氧传感器。
2.如权利要求1所述的基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极的制备,其特征在于:
(1)CFME的制备:
将硼硅酸盐毛细玻璃管拉成尖端的微管;将碳纤维用导电银胶将其与导电铜丝连接,最后将碳纤维自上述尖端的微管的尾端穿入玻璃微管中,将玻璃微管尖端外的碳纤维剪至适当长度;加热融化石蜡溶液,垂直将玻璃微管的尾端插入石蜡溶液中,取出室温下冷却;将封住尾端的微管尖端朝下垂直置于烘箱中烘干,自然冷却,实现电极的密封,即得到CFME;
(2)活性氧传感器的制备:
将制备好的CFME清洗,再放入硫酸中进行表面活化,并根据循环伏安曲线(CV)进行CFME的挑选,干燥备用;将活化完成的CFME浸入含有双贵金属前驱液中浸泡,使CFME的表面与沉积液充分接触,然后在该溶液中电沉积,最后再浸入全氟聚苯乙烯磺酸膜Nafion溶液中,晾干,得到贵金属修饰的碳纤维微电极,即为活性氧传感器。
3.如权利要求1或2所述的基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极的制备,其特征在于,所述的贵金属合金纳米材料为金铂(AuPt),金银(AuAg),金钯(AuPd),铂银(PtAg),铂钯(PtPd)和钯银(PdAg)双金属材料中的一种或几种按比例组合。
4.如权利要求1或2所述的基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极的制备,其特征在于,所述的电沉积为恒电位、恒电流、循环伏安、线性扫描伏安电沉积中的一种或几种,优选为恒电位或循环伏安电沉积。
5.如权利要求1或2所述的一种基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极的制备,其特征在于,所述的贵金属前驱液是指H2PtCl6·6H2O及其盐类化合物的硫酸溶液,HAuCl4·4H2O及其盐类化合物的硫酸溶液,Na2PdCl4的硫酸溶液以及AgNO3的硫酸溶液中的一种。
6.如权利要求5所述的基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极的制备,其特征在于,所述的贵金属前驱液是指H2PtCl6·6H2O的硫酸溶液,HAuCl4·4H2O的硫酸溶液,Na2PdCl4的硫酸溶液以及AgNO3的硫酸溶液中的一种。
7.如权利要求1或2所述的一种基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极的制备,其特征在于,所述的特定贵金属前驱液按不同比例配制,分别为4:1,3:2,1:1,2:3和1:4;
所述的特定贵金属前驱液的比例是指HAuCl4·4H2O及其盐类化合物的硫酸溶液:H2PtCl6·6H2O及其盐类化合物的硫酸溶液摩尔比依次为4:1,3:2,1:1,2:3或1:4;或,
HAuCl4·4H2O及其盐类化合物的硫酸溶液:AgNO3的硫酸溶液摩尔比依次为4:1,3:2,1:1,2:3或1:4;或,
HAuCl4·4H2O及其盐类化合物的硫酸溶液:Na2PdCl4的硫酸溶液摩尔比依次为4:1,3:2,1:1,2:3或1:4;或,
H2PtCl6·6H2O及其盐类化合物的硫酸溶液:AgNO3的硫酸溶液摩尔依次为4:1,3:2,1:1,2:3或1:4;或,
H2PtCl6·6H2O及其盐类化合物的硫酸溶液:Na2PdCl4的硫酸溶液摩尔比依次为4:1,3:2,1:1,2:3或1:4;或,
Na2PdCl4的硫酸溶液:AgNO3的硫酸溶液摩尔比依次为4:1,3:2,1:1,2:3或1:4。
8.如权利要求2所述的基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极制备,其特征在于,所述碳纤维的长度为2~3cm;所述玻璃微管尖端外的碳纤维的长度为2~3mm。
9.如权利要求1或2所述的基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极的制备,其特征在于,所述的硼硅酸盐毛细玻璃管的长度为7cm;尖端微管为尖端的直径为7~15μm的微管。
10.如权利要求1或2所述的基于贵金属合金的用于检测活性氧的碳纤维微电极的制备,其特征在于,所述的根据CV进行CFME的挑选是指用CV技术,在0~+1.0V的电压范围内,以100mV/s的扫速扫描15圈,直至CV曲线基本重合,筛除不重合或无信号的CFME,并清洗;将活化好的CFME置于0.1M的PBS(pH7.4)溶液中,在-0.6~0.6V的电压范围内,以100mV/s的速率扫描,根据得到的CV曲线挑选重复性好的CFME,自然干燥后备用。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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