CN117647515A - 一种用于大分子蛋白质检测的mip-sers传感器及其制备和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于分析化学以及快速检测领域,具体构建了一种用于大分子蛋白质检测的MIP‑SERS传感器及其制备和应用。传感器为表面包覆金纳米星修饰的表面增强拉曼散射(SERS)增强基底的改性的两端封闭玻璃毛细管和拉曼活性指示剂,其中,毛细管一端增强基底表面黏附多巴胺自聚合分子印迹聚合物(MIP)层。本发明MIP‑SERS传感器制备过程完全符合绿色化学理念,可以对不具有拉曼活性的目标物进行分析检测,能够避免非特异性识别,通过拉曼活性指示剂的信号减弱程度来反映捕获目标物的含量。建立了适用于海岸带环境水体中藻蓝蛋白快速、高选择性和高灵敏度特异性识别检测的有效方法,并且为复杂基质中蛋白质的富集分析提供了普适性思路,填补了MIP‑SERS传感机制对大分子蛋白质检测的空白。
Description
技术领域
本发明属于分析化学以及快速检测领域,具体构建了一种用于大分子蛋白质检测的MIP-SERS传感器及其制备和应用。
背景技术
随着纳米技术、人工智能和通信技术的不断发展,人们对复杂样品中进行高选择性和高灵敏度痕量分析物检测的传感设备表现出更高的需求,实时蛋白质传感分析在毒性评估、生物标志物监测和药物跟踪方面具有重要意义。然而,目前大多数蛋白质定量方法都面临易结垢、重现性差、使用寿命短等挑战。此外,在实际使用过程中通常需要长时间的样品处理,造成检测结果的延迟。因此,结合便携式仪器(如拉曼仪)构成一个完整的快检流程,省时省力又能保证可靠性。
分子印迹技术能在聚合物中构建配体选择性识别位点,从而制备对特定目标分子具有特异选择性的MIP,而MIP能够通过“锁和钥匙”机制进行分子识别,因其识别特异性、结构预定性、易制备、成本低、耐受性强等优点,在研究中被广泛应用于分离纯化、化学生物传感器、模拟酶催化、药物控释等领域。尤其是在目标物残留量低、干扰因素多、基质复杂的样品检测中,能有效地使基体分离、纯化和富集目标物,提高检测的灵敏度和准确度。SERS具有识别性强、分辨率高、对样品无损等优势,作为一种用于分析表征及测定的超灵敏振动光谱技术,通过测量指纹振动特征来提供目标分子的结构信息,它从附着在粗糙贵金属表面的拉曼活性分子中获得放大的拉曼信号,较普通的拉曼信号强度更高,从而提供更高的灵敏度。通过结合优良的SERS效应与MIP材料的特异性识别能力,MIP-SERS传感器应运而生,将MIP作为分离、富集待测物的选择性识别元件,能够避免复杂基质的干扰以及非靶向分析物与纳米颗粒之间的复合,结合SERS灵敏度高、峰带窄和高通量等优点,MIP-SERS传感器具有更准确、更稳定的传感检测效果。
MIP-SERS传感器定量检测蛋白质主要有三大类识别机制,第一类是基于MIP选择性捕获靶蛋白和蛋白质的直接SERS检测。然而,因为大多数蛋白质官能团固有的拉曼活性弱和MIPs的非特异性识别,存在灵敏度差和识别性能不足等问题。第二类是依赖于MIP的印迹腔捕获的蛋白质以及SERS纳米探针的蛋白质标记,通过MIPs的印迹腔捕获的蛋白质被夹在基底和SERS纳米探针之间,从而产生强烈的SERS信号。该方法仅适用于表位能进行印迹的有限种类的蛋白质,无法满足多功能性。第三类是基于MIP识别靶蛋白来阻断拉曼报告分子通量,通过染色策略来避免非特异性识别,引起SERS信号变化。仅适用于检测中等大小的蛋白质(例如34.5-66.5kDa),对大尺寸蛋白质不适用。所有方法表明:缺乏用于大尺寸蛋白质(例如260kDa)定量的理想MIP-SERS传感机制。因此,设法进一步发展适用于大尺寸蛋白质的传感策略,有效避免受到非特异性识别的干扰,极大的拓展了MIP-SERS传感器的应用范围和潜力,有利于构建普适性便携式拉曼平台以检测蛋白质。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明目的在于提供一种用于大分子蛋白质检测的MIP-SERS传感器及其制备和应用。
为实现上述目的,本发明采用技术方案为:
一种用于大分子蛋白质检测的MIP-SERS传感器,传感器为表面包覆金纳米星修饰的表面增强拉曼散射(SERS)增强基底的改性的两端封闭玻璃毛细管和过拉曼活性指示剂,其中,毛细管一端增强基底表面黏附多巴胺自聚合分子印迹聚合物(MIP)层。
所述改性的两端封闭玻璃毛细管为将两端完全封闭的玻璃毛细管浸泡在H2SO4-H2O2(7:3,v/v)溶液中,混合均匀后在室温下静置4h,完成羟基化,而后用超纯水反复冲洗,干燥后取出将玻璃毛细管再垂直浸入APTES-乙醇(1:24,v/v)溶液中,混合均匀后在油浴锅中70℃浸泡6小时,实现氨基硅烷改性,改性后冲洗、干燥,得到氨基功能化的玻璃毛细管。
所述SERS增强基底为将改性的两端封闭玻璃毛细管浸入胶体悬浮液中于25℃恒温水浴锅中静置9h,得到表面包覆金纳米星修饰的SERS增强基底;其中,胶体悬浮液为39.68%的HEPES(pH 7.5)溶液、0.79%的HAuCl4·4H2O余量为超纯水。
所述多巴胺自聚合分子印迹聚合物(MIP)层,首先是通过贻贝启发的聚多巴胺表面印迹方法,将盐酸多巴胺溶解在由10mM Tris-HCl缓冲液(pH8.5)配制的藻蓝蛋白溶液中,将SERS活化的玻璃毛细管垂直浸入上述溶液中,在25℃恒温水浴中静置4-5小时完成聚合,聚合完成后对模板分子进行洗脱,用1%(v/v)乙酸(含0.1%(w/v)十二烷基硫酸钠(SDS))溶液洗涤3次,然后用超纯水彻底洗涤,留下印迹空腔对待检测液中的目标物进行捕获。
所述待检测大分子蛋白质为藻蓝蛋白、藻红蛋白和溶菌酶。
一种所述传感器的制备,将玻璃毛细管两端密封,密封后对其进行氨基硅烷改性,将金纳米星颗粒通过静电固定在经过改性的两端密封玻璃毛细管表面,形成增强的SERS基底;而后于毛细管一端基底表面修饰多巴胺自聚合分子印迹聚合物(MIP)层。
一种所述的MIP-SERS传感器的应用,所述传感器,在高灵敏度、绝对特异性、多功能性和简单快速操作下定性和/或定量检测大分子蛋白质中的应用;其中,大分子蛋白质为藻蓝蛋白。
对本发明多巴胺自聚合分子印迹聚合物特异性识别的验证:用注射器吸取2mL氨水,加40mL无水乙醇和90mL去离子水室温下搅拌30分钟后,将0.5g盐酸多巴胺溶解在10mL去离子水加入其中,继续室温下搅拌24小时后,离心收集,去离子水洗3次,烘干后得到多巴胺纳米聚合物,取0.05g多巴胺纳米聚合物在超声下完全溶于20mL Tris-HCl缓冲液中,加入0.05g藻蓝蛋白,0.04g盐酸多巴胺,室温下搅拌4.5小时,用1%(v/v)乙酸(含0.1%(w/v)十二烷基硫酸钠(SDS))溶液洗涤3次,每次间隔30分钟,然后用超纯水彻底洗涤,干燥后得到藻蓝蛋白印迹聚合物。秤取1mg藻蓝蛋白印迹聚合物完全溶解于2mL人血红蛋白水溶液中,振荡一小时后离心取上清液,经紫外光谱仪检测发现信号降低,说明人血红蛋白进入或附着在藻蓝蛋白印迹聚合物的空腔中,验证了非特异性识别现象,因此本发明通过拉曼报告子分子来检查印迹腔的结合状态,有效实现对绝对特异性结合的识别,避免表面吸附等非特异性结合对结果产生的影响。
一种高精度高选择性定性和/或定量检测藻蓝蛋白的方法,将利用所述传感器插入至待检测溶液中20分钟,当毛细管MIP-SERS传感器检测到含有目标物质的样品溶液时,MIP选择性捕获的目标物质占据空腔,然后将毛细管MIP-SERS传感器插入至可以穿透印迹空腔到达基底并产生强信号的ir 792拉曼报告指示剂中,ir 792到达SERS基底的通路随着定性捕获的目标物质的增多而减少,导致信号降低,ir 792的信号减弱程度可以反映捕获目标物的数量,从而定量反映目标物浓度。
所述待测样品中无藻蓝蛋白时,传感器内的所有大量印迹空腔均允许拉曼报告指示剂顺利通过到达基底,在激光照射下实现信号增强,传感器显示为高信号强度;
所述待测样品中藻蓝蛋白含量少时,目标物被特异性识别,占据少量印迹空腔,拉曼报告指示剂仍可通过多数未被占据的空腔到达基底,在激光照射下传感器显示为较高信号强度;
所述待测样品中藻蓝蛋白含量多时,目标物被特异性识别后占据大量印迹空腔,拉曼报告指示剂仅能通过少量未被占据的空腔到达基底,在激光照射下传感器显示为较弱信号强度。
所述待测样品中含有藻蓝蛋白时,藻蓝蛋白在室温下被传感器中的印迹空腔特异性识别并捕获,反应时间为20分钟,随后将毛细管插入ir 792拉曼报告指示剂中8秒,即可在785nm的激光下进行检测。
本发明的有益效果为:
本发明MIP-SERS传感器在玻璃毛细管上进行操作,多巴胺自聚合生成MIPs层,在785nm的激光强度下,ir 792拉曼报告分子的通量随MIP选择性捕获目标物的增加而降低,信号强度随之降低,以拉曼信号强度变化为参量测定目标物的含量。所构建的MIP-SERS传感器将拓宽MIP与SERS联用在复杂基质中快速检测大分子量蛋白质乃至其他目标分析物在复杂基质中的应用;具体为:
1)本发明首次构建MIP-SERS传感器检测大分子量蛋白质的机制,印迹腔的结合状态被拉曼报告子分子仔细检查,对绝对特异性结合进行识别实现完美的选择性,有效避免表面吸附等非特异性结合对结果产生的影响,这意味着该传感器具有卓越的选择性,同时不影响MIP捕获靶蛋白、印迹空腔及其相互作用,分子尺寸确保渗透空腔到达基底的过程中没有空间障碍,提高了检测结果的可靠性,克服了传统MIP-SERS传感器对大分子量蛋白质检测灵敏度低、适用性差的缺点。
2)本发明中的MIPs通过贻贝启发的多巴胺自聚合法制备,能够有效地固定在多种基质材料上,具有许多非共价官能团,这些官能团与印迹材料的特性完全匹配,具有温和、无毒、可逆的聚合条件,实现对温度和pH敏感物质的印迹。最重要的是,无需制备拉曼探针,对目标物进行直接印迹,聚多巴胺印迹层的密度和厚度决定了拉曼报告分子的渗透效果,可以通过改变聚合变量来进行精确调控,实现了对非拉曼活性大分子量蛋白质分子的高灵敏度和快速检测。
3)本发明构建的MIP-SERS传感器整个制备过程在绿色化学的条件下进行,以毛细玻璃棒作为传感载体,成本低,易获得,简单易行,可由未经训练的操作员实施。具有较高的实用价值,适用于大规模的商业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例提供的MIP-SERS传感器的制备过程示意图。
图2为本发明实施例提供的金纳米星修饰的SERS增强基底的SEM(左上)、TEM(右上)表征,多巴胺自聚合MIPs层的SEM(左下)表征,在玻璃毛细管上制备SERS增强基底和包覆在基底上的多巴胺自聚合MIPs层实物图(右下)。
图3为本发明实施例提供的MIP-SERS传感器检测藻蓝蛋白过程示意图。
图4为本发明实施例提供的MIP-SERS传感器检测拉曼信号强度显示随藻蓝蛋白浓度升高而降低。
图5为本发明实施例提供的传感器分别用于检测藻蓝蛋白、溶菌酶、藻红蛋白的拉曼信号强度光谱图;其中,A为拉曼信号强度与藻蓝蛋白浓度梯度关系图、B为拉曼信号强度与溶菌酶浓度梯度关系图、C为拉曼信号强度与藻红蛋白浓度梯度关系图。
图6为本发明实施例提供的传感器在复杂基质中的检测示意图;其中,A为传感器用于基质中含各种离子、蛋白质、藻类的检测结果图、B为复杂基质中特异性识别机理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的解释说明。
本发明使用绿色、简便的方法,于经改性的两端封闭玻璃毛细管表面通过金纳米星修饰的SERS增强基底和包覆在基底上的多巴胺自聚合MIPs层(参见图5)构成传感器,在将MIPs层中的模板分子洗脱去除后,用传感器检测样本时,印迹空腔被MIP选择性捕获的目标蛋白所占据,阻断了拉曼报告指示剂到达SERS基底的通路,拉曼报告分子的信号体现了印迹空腔的结合状态,因此,在785nm的激光强度下,通过拉曼报告分子的信号减弱程度可以反映捕获目标蛋白的数量,从而定量反映目标蛋白浓度,避免了非特异性识别对结果造成的影响。在最优条件下,本发明方法制备得到的传感器能够高选择、高灵敏地快速检测非拉曼活性大分子量蛋白质,并且操作方法简单,省时省力,弥补了传统MIP-SERS机制对大分子量蛋白质检测的空白,有效避免了非特异性识别的影响,将进一步拓展检测蛋白质便携式拉曼平台的构建和商业化生产及应用。
实施例1
MIP-SERS传感器的制备:以玻璃毛细管的外表面为载体,金纳米星修饰SERS增强基底,并在基底上的包覆多巴胺自聚合形成的MIP层。
MIP-SERS传感器制备,参见图1为:
1)改性的两端密封玻璃毛细管的处理:首先用火焰均匀密封玻璃毛细血管的两端,检测气密性后放至比色管,浸泡在H2SO4-H2O2(7:3,v/v)溶液中,在室温下静置4h。用超纯水反复冲洗,75℃烘箱中干燥过夜,完成羟基化。然后取出,对其进行氨基功能化:将干净的玻璃毛细管垂直浸入APTES-乙醇(1:24,v/v)溶液中,在油浴锅中70℃浸泡6小时。硅烷化后,毛细管用乙醇超声冲洗3次以除去未反应的硅烷,在100℃真空干燥箱中烘烤2小时后取出,密闭保存。
2)SERS增强基底制备:首先用超纯水制备HEPES100mM标准水溶液,室温下加入1MNaOH溶液调整pH为7.5±0.5。取100mM HEPES(pH7.5±0.5)溶液2mL与超纯水3mL混合,再加入浓度为24.25mM的HAuCl4溶液40μL,室温摇匀后迅速放入25℃恒温水浴锅静置,20min内其颜色由淡黄色变为无色、粉色、紫色,最后变为深蓝色,再将步骤1)中获得改性的两端密封玻璃毛细管插入上述溶液中静置9到16小时,玻璃毛细管外表面变为深蓝色,即为实现改性的两端密封玻璃毛细管表面包覆SERS增强基底。
3)多巴胺自聚合MIPs层的合成方法及包覆:称取5mg盐酸多巴胺于玻璃瓶,用10mMTris-HCl缓冲液(pH 8.5)配制0.25g/L的藻蓝蛋白溶液,取2.5mL加入上述盐酸多巴胺玻璃瓶中。然后将上述SERS活化的玻璃毛细管垂直浸入上述溶液中,在25℃恒温水浴中静置,每隔半小时次取出一根玻璃毛细管竖直放入200μL选定的ir 792拉曼报告分子中8秒,在785nm的激光强度下检测拉曼信号,信号降低至微弱时说明多巴胺包覆目标物已完全占据空腔,4.5小时后聚合反应完成。此时,用1%(v/v)乙酸(含0.1%(w/v)十二烷基硫酸钠(SDS))溶液洗涤3次毛细管传感器,每次间隔30分钟,除去多巴胺印迹层中的模板分子,然后用超纯水彻底洗涤,以完全去除残留的乙酸和SDS,MIP-SERS传感器至此制备完成(参见图2)。
图中的SEM(左上)及TEM(右上)表征可见均匀分布、清晰完整的金纳米星基底,SEM(左下)表征可见多巴胺自聚合MIPs层将金纳米星基底完全包覆,实物图(右下)表示在玻璃毛细管上制备SERS增强基底时溶液为深蓝色,在含SERS增强基底的玻璃毛细管包覆多巴胺自聚合MIPs层完成时,无色溶液变为深棕色。
实施例2
利用上述传感器检测藻蓝蛋白高精度定量检测:
首先配制不同浓度的藻蓝蛋白溶液(10-6、10-5、10-4、10-3、10-2、0.1、0.2和0.5mg·L-1),将上述实施例制备MIP-SERS传感器放入上述配制的标准浓度的溶液中反应20分钟,然后将玻璃毛细棒传感器竖直插入200μL ir792拉曼报告分子中8秒,取出后在785nm的激光强度下检测玻璃毛细棒的拉曼信号(参见图3)。结果显示,最低浓度的藻蓝蛋白溶液具有最高的SERS强度,随着浓度增加,空腔数量降低,ir 792拉曼报告分子通路减少,信号明显被抑制,SERS强度随藻蓝蛋白浓度的增加而降低(参见图4),在10-6-0.5mg·L-1范围内呈线性响应。对照组传感器的构造方式与相应的MIP传感器相同,但不添加模板,NIP毛细管传感器在所有测试浓度下都无SERS信号,这进一步证实了多巴胺层的印迹腔对藻蓝蛋白的特异性捕获所特有SERS信号来源。通过在不同浓度的藻蓝蛋白溶液中建立矩阵匹配校准图,作为藻蓝蛋白定量检测的参考标准(参见图5A)。
用上述相同的方法制备MIP-SERS传感器用于藻红蛋白和溶菌酶的检测,配制标准浓度的溶液,建立了矩阵匹配校准图(参见图5B-5C)。对目标物与多巴胺的质量比、拉曼报告指示剂的类型及浓度、洗脱液组成和持续时间、传感器响应时间进行了适当调整。由此可见,该MIP-SERS传感器普适性较强,拓展至其他物质的检测。
实施例3
利用上述传感器用于含各种离子、蛋白质、藻类的溶液中的检测:
分别用浓度为1ppb和0.1ppm的Fe、Ca、Na、Mg相应离子以及牛血红蛋白、白蛋白、藻红蛋白、螺旋藻溶液配制浓度为1ppb的藻蓝蛋白溶液,,将上述实施例中制备的MIP-SERS传感器放入此溶液中反应20分钟,然后将玻璃毛细棒传感器竖直插入200μL ir 792拉曼报告分子中8秒,取出后在785nm的激光强度下检测玻璃毛细棒的拉曼信号。在含有两种浓度其他物质的溶液中,拉曼信号没有明显差异(参见图6A),表明在应对常见的复杂基质中表面吸附和非特异性结合时,ir 792拉曼报告分子仍然可以通过未被特异性结合完全占据的空腔到达基底,避免了非特异性识别产生的影响(参见图6B),验证了MIP-SERS传感器的稳定性,可用于多种机制中实际样品的检测。
在检测实际样品时,无需过滤、稀释等样品前处理,直接将MIP-SERS传感器放入样品溶液中反应,然后放入拉曼报告分子溶液中,在激光强度下显示的拉曼信号与矩阵匹配校准图相对照,即可得出实际样品中目标物浓度。由此可见,该MIP-SERS传感器具有操作简便、省时省力、抗干扰性强的明显优势,有利于商业化批量生产。
Claims (10)
1.一种用于大分子蛋白质检测的MIP-SERS传感器,其特征在于:传感器为表面包覆金纳米星修饰的表面增强拉曼散射(SERS)增强基底的改性的两端封闭玻璃毛细管和拉曼活性指示剂,其中,毛细管一端增强基底表面黏附多巴胺自聚合分子印迹聚合物(MIP)层。
2.根据权利要求1所述的用于大分子蛋白质检测的MIP-SERS传感器,其特征在于:所述改性的两端封闭玻璃毛细管为将两端完全封闭的玻璃毛细管浸泡在H2SO4-H2O2(7:3,v/v)溶液中,混合均匀后在室温下静置4h,完成羟基化,而后用超纯水反复冲洗,干燥后取出将玻璃毛细管再垂直浸入APTES-乙醇(1:24,v/v)溶液中,混合均匀后在油浴锅中70℃浸泡6小时,实现氨基硅烷改性,改性后冲洗、干燥,得到氨基功能化的玻璃毛细管。
3.根据权利要求1或2所述的用于大分子蛋白质检测的MIP-SERS传感器,其特征在于:所述SERS增强基底为将改性的两端封闭玻璃毛细管浸入胶体悬浮液中于25℃恒温水浴锅中静置9h,得到表面包覆金纳米星修饰的SERS增强基底;其中,胶体悬浮液为39.68%的HEPES(pH 7.5)溶液、0.79%的HAuCl4·4H2O余量为超纯水。
4.根据权利要求3所述的用于大分子蛋白质检测的MIP-SERS传感器,其特征在于:所述多巴胺自聚合分子印迹聚合物(MIP)层,首先是通过贻贝启发的聚多巴胺表面印迹方法,将盐酸多巴胺溶解在由10mM Tris-HCl缓冲液(pH 8.5)配制的藻蓝蛋白溶液中,将SERS活化的玻璃毛细管垂直浸入上述溶液中,在25℃恒温水浴中静置4-5小时完成聚合,聚合完成后对模板分子进行洗脱,用1%(v/v)乙酸(含0.1%(w/v)十二烷基硫酸钠(SDS))溶液洗涤3次,然后用超纯水彻底洗涤,留下印迹空腔对待检测液中的目标物进行捕获。
5.根据权利要求4所述的用于大分子蛋白质检测的MIP-SERS传感器,其特征在于:所述待检测大分子蛋白质为藻蓝蛋白、藻红蛋白和溶菌酶。
6.一种权利要求1所述传感器的制备,其特征在于:将玻璃毛细管两端密封,密封后对其进行氨基硅烷改性,将金纳米星颗粒通过静电固定在经过改性的两端密封玻璃毛细管表面,形成增强的SERS基底;而后于毛细管一端基底表面修饰多巴胺自聚合分子印迹聚合物(MIP)层。
7.一种权利要求1所述的MIP-SERS传感器的应用,其特征在于:所述传感器,在高灵敏度、绝对特异性、多功能性和简单快速操作下定性和/或定量检测大分子蛋白质中的应用;其中,大分子蛋白质为藻蓝蛋白。
8.一种高精度高选择性定性和/或定量检测藻蓝蛋白的方法,其特征在于:将利用权利要求1所述传感器插入至待检测溶液中20分钟,当毛细管MIP-SERS传感器检测到含有目标物质的样品溶液时,MIP选择性捕获的目标物质占据空腔,然后将毛细管MIP-SERS传感器插入至可以穿透印迹空腔到达基底并产生强信号的ir 792拉曼报告指示剂中,ir 792到达SERS基底的通路随着定性捕获的目标物质的增多而减少,导致信号降低,ir 792的信号减弱程度可以反映捕获目标物的数量,从而定量反映目标物浓度。
9.根据权利要求8所述的高精度高选择性定性和/或定量检测藻蓝蛋白的方法,其特征在于:
所述待测样品中无藻蓝蛋白时,传感器内的所有大量印迹空腔均允许拉曼报告指示剂顺利通过到达基底,在激光照射下实现信号增强,传感器显示为高信号强度;
所述待测样品中藻蓝蛋白含量少时,目标物被特异性识别,占据少量印迹空腔,拉曼报告指示剂仍可通过多数未被占据的空腔到达基底,在激光照射下传感器显示为较高信号强度;
所述待测样品中藻蓝蛋白含量多时,目标物被特异性识别后占据大量印迹空腔,拉曼报告指示剂仅能通过少量未被占据的空腔到达基底,在激光照射下传感器显示为较弱信号强度。
10.根据权利要求8所述的高精度高选择性定性和/或定量检测藻蓝蛋白的方法,其特征在于:所述待测样品中含有藻蓝蛋白时,藻蓝蛋白在室温下被传感器中的印迹空腔特异性识别并捕获,反应时间为20分钟,随后将毛细管插入ir 792拉曼报告指示剂中8秒,即可在785nm的激光下进行检测。
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