CN1544916A - 一种农药残留检测方法及其便携式检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农药残留检测方法及其便携式检测仪。本发明通过改进的算法省去仪器光源I₀的校正步骤，减少了测量误差来源；提出了温度校正模型，省去37℃恒温测量条件，不再需要庞大笨重的水浴槽等恒温设备。检测仪为：单色光源在光源稳压控制电路的控制下，产生单色光；单色光束穿过装有待测溶液的比色槽，照射到光电传感器；光电传感器将检测到的光强值转换成电压值，再传送给A/D转换器转换成数字信号输入单片机系统中进行数据处理，温度测量电路将测得的温度值转换成数字信号后送入单片机，进行温度校正。本检测仪特别适合于现场快速筛选或半定量测定的需要。结构简单、体积小、使用方便、可以直接提示农药残留毒性程度。

Description

一种农药残留检测方法及其便携式检测仪

技术领域

本发明涉及一种农药检测技术，是一种适合现场快速检测有机磷和氨基甲酸酯农药毒性的方法及其便携式检测仪器。

技术背景

我国是农业大国，对农药的需求量很大，农药的广泛应用对环境造成了严重的污染。由于农药污染对人类造成的危险性，发达国家都实行果蔬出售前的农药残留的检测，我国出口农副产品均需要进行农药残留检测。无公害蔬菜和食品安全计划的实施也需要有相应的现场快速检测技术。

目前农药残留定量分析一般采用色谱分析法，使用实验室的色谱分析仪，依靠专业技术人员完成分析工作。农药残留毒性的检测一般使用乙酰胆碱酯酶分光光度法，根据农药对酶活性的抑制率的程度测定农药残留的毒性，使用的仪器一般是分光光度计。从采样、样品预处理到分析结果需要数小时甚至一两天时间，失去了现场测试以便及时检查及控制的意义。

吸光光度法是基于物质对光的选择性吸收而建立起来的一种分析法。在科学研究、环境监测及工农业生产的化学成分分析中有着广泛的应用。基于这种方法构成的仪器，就是目前国内外广为使用的分光光度计。目前国家和农业部标准方法中，就有基于光度法对农药残留进行定性分析的标准方法，作为色谱分析法的筛选分析技术。

如GB/T 18630-2002中使用的是植物酯酶体系显色后进行光度分析；而NY/T 448-2001则是使用丁酰胆碱酯酶体系显色后再进行光度分析。这些分析方法需要进行复杂的样品预处理，并且需要使用恒温装置(恒温至37℃)及分光光度计。设备体积庞大，需要220V供电。分析操作复杂，要经过取样、显色、测定、校正、计算等步骤，测定一个样品一般需要1-2个小时。并要由专业技术人员完成，只适于在专业分析实验室中使用。

目前国内也有一些专门用于农药残留检测的商品化仪器，如目前应用较多的CL系列农药残留检测仪(见“CL-1残留农药测定仪说明书”，上海电子光学研究所)。该检测仪是基于乙酰胆碱酯酶体系的光度分析仪，与传统光度计相比，简化了操作，仪器的体积重量也有所减小。但由于仍然需要使用恒温装置和220V电源，所以依然无法满足现场和野外快速分析的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能克服现有技术缺陷的一种农药残留检测方法及其便携式检测仪。该方法适合现场快速检测有机磷和氨基甲酸酯农药毒性；该便携式检测仪具有结构简单、体积小、使用方便、可以直接提示农药残留毒性程度，适于非专业人员现场快速测定，特别适合于现场快速筛选或半定量测定的需要。

本发明提供的一种农药残留检测方法，其步骤为：

(1)测量和计算不含农药的空白对照样品的A～t曲线的斜率值K₀；

(2)测量和计算待测样品在温度T℃时的A～t曲线的斜率值K_t，T的取值范围为20-40℃；

(2.1)仪器每隔时间t采集一个光强值I_i，共采集n次，i取值为0至n，I₀为单色光的原始光强值，I_i为t_i时测得的经样品吸收后的透过光强值；

(2.2)当n为奇数时，按照公式(1)计算斜率值K_t，当n为偶数时，按照公式(2)计算斜率值K_t：

$\mathrm{Kt}=\frac{(n-1)1g\left(\frac{I_1}{I_n}\right)+(n-3)1g\left(\frac{I_2}{I_{n-1}}\right)+\·\·\·+21g\left(\frac{I_{(n/1)/2}}{I_{(n+3)/2}}\right)}{\mathrm{tn}(n^2-1)}\×6----\left(1\right)$

$\mathrm{Kt}=\frac{(n-1)1g\left(\frac{I_1}{I_n}\right)+(n-3)1g\left(\frac{I_2}{I_{n-1}}\right)+\·\·\·+1g\left(\frac{I_{n/2}}{I_{(n+2)/2}}\right)}{\mathrm{tn}(n^2-1)}\×6----\left(2\right)$

(3)利用公式Y_T＝K_t/K₀×100％，计算在温度T℃时的抑制率Y_T；

(4)利用公式Y₃₇＝Y_T+0.01112×(37-T)进行校正，求得37℃下的标准抑制率值Y₃₇；

(5)根据Y₃₇的大小判断农药的残留量。

实现上述方法的便携式检测仪，包括单片机系统和光电检测部分，便携式直流电源为该检测仪提供电能；

单片机系统包括单片机、输入装置与显示装置、以及辅助电路，辅助电路中包括有温度测量电路；

光电检测部分由光源稳压控制电路、单色光源、比色槽、光电传感器和A/D转换器构成；

单色光源在光源稳压控制电路的控制下，产生单色光；单色光束穿过装有待测溶液的比色槽，照射到光电传感器；光电传感器将检测到的光强值转换成电压值，再传送给A/D转换器转换成数字信号输入单片机系统中进行数据处理，温度测量电路将测得的温度值转换成数字信号后送入单片机，进行温度校正。

本发明针对农药检测技术的现状，发明了一种现场快速检测有机磷和氨基甲酸酯农药毒性的改进方法和相应的便携式检测仪器。在传统的乙酰胆碱酯酶测量体系的基础上，提出改进的算法以及测量方式，包括：(1)通过改进的算法省去仪器光源I₀的校正步骤，减少了测量误差来源；(2)为了省去37℃恒温测量条件提出了温度校正模型，从而省去了庞大笨重的水浴槽等恒温设备。使用本发明中改进的测量方法，可以实现现场方便快速的检测有机磷和氨基甲酸酯农药的毒性。

本检测仪具有微型化、便携式以及适于非专业人员的现场快速测定的特点，特别适合于现场快速筛选或半定量测定的需要。仪器结构简单、体积小、使用方便、可以直接提示农药残留毒性程度。适用于果蔬批发市场、集贸市场、宾馆、学校食堂等需要对果蔬残留进行快速检测的场合，仪器的分析方法采用国家标准分析方法——酶分析法，因而检测结果与国家推荐标准方法具有可比性。

附图说明

图1为本发明检测仪的结构示意图；

图2为仪器软件的测量流程框图。

具体实施方式

在酶分析法中，吸光度值A是随着时间t的推移不断增加的。通过测量样品的吸光度～时间曲线(简称A～t曲线)的斜率K值，可以计算出抑制率Y的：

                   Y＝K_t/K₀×100％

式中：K_t是待测样品在温度T℃时的A～t曲线的斜率值，K₀是不含农药的空白对照样品(简称空白样)的A～t曲线的斜率值，Y为抑制率。抑制率的大小反应了毒性的大小，完全无毒时Y＝0％，样品毒性越大，Y值越高。我们可以根据Y值判断样品上残留农药的毒性大小。一般认为Y＜20％时认为样品是无毒的，当Y在20％～50％之间时，样品为低毒，经过清洗等简单处理后可食用。当Y＞50％时，则认定样品农药残留量超标，不可食用。

传统仪器在进行A～t曲线斜率的测量时，只测量了2个数据点。为了提高测量准确度，减少单次测量误差对最终测量结果的影响，本仪器在测量开始后，由单片机控制，每隔时间t自动采集一个吸光度数据，共测量了n个数据点来计算A～t曲线的斜率值K。

假设进行A～t曲线测量，每隔t秒测量一个吸光度值A，测量n组数据，如表一所示：

时间t        t₁＝t     t₂＝2t   …    t_i＝it   …    t_n-1＝(n-1)t   t_n＝nt

吸光度A      A₁        A₂       …    A_i       …    A_n-1           A_n

                                    表一

则线性回归所得A～t曲线的斜率K为：

$K=\frac{\mathrm{\Σ}{t}_i{A}_i-\frac{1}{7}\mathrm{\Σ}{t}_i\mathrm{\Σ}{A}_i}{\mathrm{\Σ}{t}_i^2-\frac{1}{7}{\left(\mathrm{\Σ}{t}_i\right)}^2}$

式中的A_i＝-1g(I_i/I₀)，I₀为单色光的原始光强值，I_i为t_i时测得的经样品吸收后的透过光强值。传统仪器都是通过测量I₀、I_i，从而计算出A_i和K值的。

经我们推导，发现在酶动力学测量体系中，完全可以不用测量I₀和A_i值。推导过程如下：

$K=\frac{\mathrm{n\Σ}{t}_i{A}_i-\mathrm{\Σ}{t}_i\mathrm{\Σ}{A}_i}{\mathrm{n\Σ}{t}_i^2-{\left(\mathrm{\Σ}{t}_i\right)}^2}$

$=\frac{\mathrm{nt}(A_1+2A_2+3A_3+...+n{A}_n)-t(1+2+\·\·\·+n)\×(A_1+A_2+\·\·\·A_n)}{{\mathrm{nt}}^2(1^2+2^2+\·\·\·+n^2)-t^2{(1+2+\·\·\·+n)}^2}$

$=\frac{2(A_1+2A_2+3A_3+...n{A}_n)-(n+1)\×(A_1+A_2+\·\·\·+A_n)}{2t(1^2+2^2+\·\·\·+n^2)-\frac{2t}{n}{(1+2+\·\·\·+n)}^2}$

$=\frac{2(A_1+2A_2+3A_3+...n{A}_n)-(n+1)\×(A_1+A_2+\·\·\·+A_n)}{2t(1^2+2^2+\·\·\·+n^2)-\frac{2t}{n}{(1+2+\·\·\·+n)}^2}$

$=\frac{(1-n)A_1+(3-n)A_2+\·\·\·+(2i-n-1)A_1+\·\·\·+(n-3)A_{n-1}+(n-1)A_n}{2t(1^2+2^2+\·\·\·+n^2)-\frac{2t}{n}{(1+2+\·\·\·+n)}^2}$

$=\frac{(1-n)A_1+(3-n)A_2+\·\·\·+(2i-n-1)A_1+\·\·\·+(n-3)A_{n-1}+(n-1)A_n}{2t\×\frac{n(n+1)(2n+1)}{6}-\frac{2t}{n}\×{\left[\frac{n(n+1)}{2}\right]}^2}$

$=\frac{(1-n)A_1+(3-n)A_2+\·\·\·+(2i-n-1)A_1+\·\·\·+(n-3)A_{n-1}+(n-1)A_n}{\mathrm{tn}(n^2-1)}\×6$

当n为奇数时：

$K=\frac{-(n-1)A_1-(n-3)A_2+\·\·\·-2A_{(n-1)/2}+0+2A_{(n+3)/2}\·\·\·\·\·\·+(n-3)A_{n-1}+(n-1)A_n}{\mathrm{tn}(n^2-1)}\×6$

$=\frac{(n-1)(A_n-A_1)+(n-3)(A_{n-1}-A_2)+\·\·\·+2(A_{(n+3)/2}-A_{(n-1)/2})}{\mathrm{tn}(n^2-1)}\×6$

$=\frac{(n-1)\lg (\frac{I_0}{I_n}\·\frac{I_1}{I_0})+(n-3)\lg (\frac{I_0}{I_{n-1}}\·\frac{I_2}{I_0})+\·\·\·+2\lg (\frac{I_0}{I_{(n+3)/2}}\·\frac{I_{(n-1)/2}}{I_0})}{\mathrm{tn}(n^2-1)}\×6$

$=\frac{(n-1)\lg \left(\frac{I_1}{I_n}\right)+(n-3)\lg \left(\frac{I_2}{I_{n-1}}\right)+\·\·\·+2\lg \left(\frac{I_{(n-1)/2}}{I_{(n+3)/2}}\right)}{\mathrm{tn}(n^2-1)}\×6$

当n为偶数时：

$K=\frac{-(n-1)A_1-(n-3)A_2+\·\·\·-{A_{n/2}+A}_{(n+2)/2}\·\·\·\·\·\·+(n-3)A_{n-1}+(n-1)A_n}{\mathrm{tn}(n^2-1)}\×6$

$=\frac{(n-1)(A_n-A_1)+(n-3)(A_{n-1}-A_2)+\·\·\·+(A_{(n/2}-A_{(n+2)/2})}{\mathrm{tn}(n^2-1)}\×6$

$=\frac{(n-1)\lg (\frac{I_0}{I_n}\·\frac{I_1}{I_0})+(n-3)\lg (\frac{I_0}{I_{n-1}}\·\frac{I_2}{I_0})+\·\·\·+\lg (\frac{I_0}{I_{(n+2)/2}}\·\frac{I_{n/2}}{I_0})}{\mathrm{tn}(n^2-1)}\×6$

$=\frac{(n-1)\lg \left(\frac{I_1}{I_n}\right)+(n-3)\lg \left(\frac{I_2}{I_{n-1}}\right)+\·\·\·+\lg \left(\frac{I_{n/2}}{I_{(n+2)/2}}\right)}{\mathrm{tn}(n^2-1)}\×6$

由此公式的推导结果可以看出，K值的求取可以不需要使用原始光强I₀值，也不需要计算A值。在光源具有稳定性的前提下(通过仪器硬件的稳压与监控电路实现)，原始光强I₀对测量结果不会有影响，这样就简化了测量步骤，只用测出空白样品和实际样品溶液的透过光强I₁-I_n，通过改进后的公式计算出K₀和K_t，最后得出抑制率Y值。这样即简化了计算，又避免了因I₀的测量误差而引起的最终测量结果的偏差，减少了误差来源。

下面我们以n＝7，t＝30秒为例加以进一步说明。

仪器每隔30s自动采集一个吸光度数据，3min后共测量了7个数据点来计算A～t曲线的斜率值K。

假设A～t曲线测量的数据如表二：

时间t       t1      t2      t3      t4      t5      t6      t7

吸光度A     A1      A2      A3      A4      A5      A6      A7

                               表二

则线性回归所得A～t曲线的斜率K为：

$K=\frac{\mathrm{\Σ}{t}_i{A}_i-\frac{1}{7}\mathrm{\Σ}{t}_i\mathrm{\Σ}{A}_i}{\mathrm{\Σ}{t}_i^2-\frac{1}{7}{\left(\mathrm{\Σ}{t}_i\right)}^2}$

式中的A_i＝-1g(I_i/I₀)，I₀为单色光的原始光强值，I_i为t_i时测得的经样品吸收后的透过光强值。传统仪器都是通过测量I₀、I_i，从而计算出A_i和K值的。

经我们推导，发现在酶动力学测量体系中，完全可以不用测量I₀和A_i值：

$K=\frac{\mathrm{\Σ}{t}_i{A}_i-\frac{1}{7}\mathrm{\Σ}{t}_i\mathrm{\Σ}{A}_i}{\mathrm{\Σ}{t}_i^2-\frac{1}{7}{\left(\mathrm{\Σ}{t}_i\right)}^2}$

$=\frac{(A_1+2A_2+{3A}_3+{4A}_4+{5A}_5+{6A}_6+{7A}_7)-\frac{1}{7}(1+2+\·\·\·+7)\×(A_1+A_2+\·\·\·+A_7)}{(1^2+2^2+\·\·\·+7^2)-\frac{1}{7}{(1+2+\·\·\·+7)}^2}$

$=\frac{3(A_7-A_1)+2(A_6-A_2)+(A_5-A_3)}{28}$

$=\frac{3\lg (\frac{I_0}{I_7}\·\frac{I_1}{I_0})+2\lg (\frac{I_0}{I_6}\·\frac{I_2}{I_0})+\lg (\frac{I_0}{I_5}\·\frac{I_3}{I_0})}{28}$

$=\frac{3\lg \left(\frac{I_1}{I_7}\right)+2\lg \left(\frac{I_2}{I_6}\right)+\lg \left(\frac{I_3}{I_5}\right)}{28}$

酶动力学分析体系，温度是十分重要的影响因素。酶的活性容易受到温度的影响，酶的活性在不同温度下是不相同的。传统的酶分析方法为了避免这种影响，需要在37℃恒温条件下进行测量。常用的恒温系统(如恒温槽等)笨重庞大，功耗也大，即不适于现场快速分析，也使得分析操作过程变得复杂烦琐。

我们通过大量实验，最终确定了酶的活性与环境温度的关系表达式，并将此用于本仪器中，实现了温度校正功能。

本发明中，在20℃～40℃温度范围内，37℃时的抑制率Y₃₇可以通过下式计算得出：

                   Y₃₇＝Y_T+0.01112×(37-T)

式中，T为测量时的环境温度，Y_T为环境温度下测得的抑制率。

通过温度校正功能，实现了将环境温度(20℃～40℃)下的抑制率测量值校正到37℃下的标准抑制率值，从而省去了传统方法中笨重的恒温系统。既大大简化了操作，又使农药残留的现场快速检测成为可能。

表三列出了一组不同浓度的样品分别在28℃和37℃水浴恒温下抑制率Y的实测值。从表中可以看出，28℃的测量值Y₂₈经温度校正后所得到的Y₃₇与37℃水浴恒温下测得的斜率值Y_std具相似性。大量重复实验结果表明，校正后的测量结果可以达到测量要求，其测量值与国家标准方法的结果具有可比性。

农药含量(mg/L)	0.4     0.8     1.2     1.6     2.4
		Y28，28.0℃测量，温度校正前	23％    39％    51％    58％    70％
Y37，28.0℃测量，温度校正后	33％    49％    61％    68％    80％
		Ystd，37℃恒温测量	36％    53％    58％    67％    81％

                               表三

我们已成功研制出便携式农药残留检测仪样机。本便携式检测仪器包括单片机系统14和光电检测部分15，采用电池作为它们的电源。单片机系统包括单片机1、键盘2与显示屏16，以及辅助电路3等。辅助电路3包括实时时钟4、非易失性数据存贮电路5、系统监控电路6、串行通讯电路7以及温度测量电路8等。光电检测部分15主要由光源稳压控制电路9、单色光源10、比色槽11、光电传感器12和A/D转换器13构成。

单色光源10在光源稳压控制电路9的控制下，产生单色光。单色光束穿过装有待测溶液的比色槽11后，照射到光电传感器12。光电传感器12将检测到的光强值转换成电压值，再传送给A/D转换器13转换成数字信号输入单片机系统中进行数据处理，进而计算得到所需K、Y等参数。同时，温度测量电路8将测得的温度值转换成数字信号后送入单片机，实现温度校正功能。

上述各部件均可采用现有技术加以实现，下面以实例作进一步的说明。

我们以特定波长的发光二级管(LED)做光源，代替现有实验室分光光度计的通用光源和单色器；以高集成度的半导体光电检测器(如TSL235)，代替现有实验室分光光度计的光电池、光电倍增管；以电池做电源，代替现有实验室分光光度计的220V交流电源，以及低功耗技术的运用，从而实现仪器的微型化、便携式。同时以单片机(如AT89C55)为核心，配以算法和测量方式上的改进，实现了仪器的现场快速测量能力。

此外，仪器上还配备了实时时钟芯片(如DS1302)、非易失性存贮器(如24LC64)、1-wire温度传感器(如DS1820)以及RS-232串行接口芯片(如MAX3233)，从而实现了数据存贮、温度测量、PC机通讯及串行打印等功能，方便了用户的使用。

仪器软件由国外最流行的Keil C51编写。整个软件可分为：数据采集与处理、数据测量与校正、人机对话界面以及包括汉显、时钟、监控、通信在内的多种操作功能模块。以单片微型计算机为核心的信号变换、信号处理、分析运算、显示及其系统操作、管理与监控等仪器的硬件体系和包括数据采集、校正、测量、计算、显示、数据存储等计算机软件。具有浓度直读、报警、数据存储等功能。

仪器的使用方法：

(1)取待测物适量，用提取液浸泡后，在浸泡液中加入试剂进行显色，等待测量。

(2)放入不含农药的空白对照样品，仪器将测量和计算空白A～t曲线的斜率值K₀；

(3)放入待测样品，仪器将测量和计算当前温度T℃时的A～t曲线的斜率值K_t；

(4)仪器利用公式Y_T＝K_t/K₀×100％，计算在温度T℃时的抑制率Y_T；然后根据测得的当前温度值T，利用公式Y₃₇＝Y_T+0.01112×(37-T)进行校正，求得37℃下的标准抑制率值Y₃₇；

根据Y₃₇的大小判断毒性大小，并推算出农药的残留量。通常按照表四的标准判断农药的残留量。

利用乙酰胆碱酯酶体系进行毒性测量时，一般认为在37℃时测得的抑制率Y₃₇大于50％为毒性超标。毒性等级和抑制率Y₃₇之间的关系如下：

               表四抑制率和毒性等级的关系

         抑制率Y₃₇                      毒性等级

         ＜20％                          安全

         20％～50％                      低毒

         ＞50％                          高毒

在37℃条件下测量，抑制率Y＜20％时为安全，可以放心食用；抑制率Y在20％～50％之间时为低毒。低毒果蔬应使用大量的水冲洗，确定无毒后食用。抑制率Y＞50％时为高毒，农药残留毒性超标，不能食用。

表五列出了使用传统分光光度计(以722型光度计为例)、现有的商品化分析仪(以CL-1农残检测仪为例)和本项目仪器的主要功能对比。(参见国家环保局，水和废水监测分析方法(第三版)，北京，中国环境科学出版社)

	722光度计 CL-1农残检测仪  本项目仪器
		重量电源时钟数据存贮打印功能PC机接口人机界面恒温系统测量时间	＞15kg    ＞5kg           500g左右AC 220V   AC 220V         干电池/AC 220V无        无              有无        无              有无        有              有无        无              有数字显示  数字显示        中文界面需要      需要            不需要约1h/样   10min/样        3min/样

          表五几种农药残留分析方法对比

Claims (2)

1、一种农药残留检测方法，其步骤为：

(1)测量和计算不含农药的空白对照样品的A～t曲线的斜率值K₀；

(2)测量和计算待测样品在温度T℃时的A～t曲线的斜率值K_t，T的取值范围为20-40℃；

(2.1)仪器每隔时间t采集一个光强值I_i，共采集n次，i取值为0至n，I₀为单色光的原始光强值，I_i为t_i时测得的经样品吸收后的透过光强值；

(2.2)当n为奇数时，按照公式(1)计算斜率值K_t，当n为偶数时，按照公式(2)计算斜率值K_t：

$\mathrm{Kt}=\frac{(n-1)\lg \left(\frac{I_1}{I_n}\right)+(n-3)\lg \left(\frac{I_2}{I_{n-1}}\right)+\·\·\·+2\lg \left(\frac{I_{(n-1)/2}}{I_{(n+3)/2}}\right)}{\mathrm{tn}(n^2-1)}\×6---\left(1\right)$

$\mathrm{Kt}=\frac{(n-1)\lg \left(\frac{I_1}{I_n}\right)+(n-3)\lg \left(\frac{I_2}{I_{n-1}}\right)+\·\·\·+\lg \left(\frac{I_{n/2}}{I_{(n+2)/2}}\right)}{\mathrm{tn}(n^2-1)}\×6---\left(2\right)$

(3)利用公式Y_T＝K_t/K₀×100％，计算在温度T℃时的抑制率Y_T；

(4)利用公式Y₃₇＝Y_T+0.01112×(37-T)进行校正，求得37℃下的标准抑制率值Y₃₇；

(5)根据Y₃₇的大小判断农药的残留量。

2、一种采用权利要求1所述方法的便携式检测仪，包括单片机系统(14)和光电检测部分(15)，便携式直流电源为该检测仪提供电能；

单片机系统(14)包括单片机(1)、输入装置(2)与显示装置(16)、以及辅助电路(3)，辅助电路(3)中包括有温度测量电路(8)；

光电检测部分(15)由光源稳压控制电路(9)、单色光源(10)、比色槽(11)、光电传感器(12)和A/D转换器(13)构成；

单色光源(10)在光源稳压控制电路(9)的控制下，产生单色光；单色光束穿过装有待测溶液的比色槽(11)，照射到光电传感器(12)；光电传感器(12)将检测到的光强值转换成电压值，再传送给A/D转换器(13)转换成数字信号输入单片机系统中进行数据处理，温度测量电路(8)将测得的温度值转换成数字信号后送入单片机，进行温度校正。

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