DE2656162B2 - Verfahren zur Erzeugung einer stabilen pH-Funktion auf einem Träger für die elektrophoretische Trennung - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung einer stabilen pH-Funktion auf einem Träger für die elektrophoretische TrennungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer stabilen pH-Funktion auf einem Träger für die
elektrophoretische Trennung. Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 36 64 939 bekannt.
insbesondere bei elektrophoretisehen Verfahren ist es
notwendig, daß die pH-Werte und die Temperaturwerte entlang eines Trennweges bei stabilisierter Konvektion
gesteuert werden. Bisher hat man die pH-Funktionen für elektrophoretische Verfahren mit Hilfe unterschiedlicher
Typen von niedermolekularen Pufferlösungen mit einer Konzentration von wenigstens 10~2 M und
gewöhnlich beträchtlich höher, erhalten. Diese Konzentrationen ergeben eine beträchtliche elektrische Leitfähigkeit
und dementsprcchende Ströme, so daß man eine relativ niedrige Feldstärke verwendet hat, wenn die
Temperatur auf einem konstanten Wert gehalten wurde. Da die Zeit, weiche für die Trennung benötigt
wird, umgekehrt proportional zur Feldstärke ist, ergibt
sich hieraus ein beträchtlicher Nachteil. Um den pH-Wert entlang des Trennweges während des
Versuches infolge von Elektrodenreaktionen in den Pufferlösungsbehältern nicht zu verändern, hat man
Anoden- und Kathodenlösungen mit relativ großen Volumen verwendet Diese Behälter enthalten die
gleichen Puffersubstanzen wie sie entlang des Trennweges verwendet werden.
Die Elektrofokussierung ist ein elektrophoretisches Trennverfahren für Proteine und andere Ampholyte,
welches darauf beruht, daß amphoterische Substanzen in einem elektrischen Feld in Richtung eines pH-Gradienten
zu einem sogenannten isoelektrischen Punkt wandern, wo ihre Beweglichkeit zu Null wird. Es sind
verschiedene Verfahren zur Erzeugung des pH-Gradienten, welcher für die Elektrofokussierung notwendig
ist, bekannt Da' am meisten gebräuchliche Verfahren verwendet eine Ampholytmischung von sogenannten
Trägerampholyten, welche eine große Anzahl an Komponenten mit unterschiedlichen pH-Werten (dies
sind die pH-Werte an den isoelektrischen Punkten) innerhalb des interessierenden pH-Bereiches enthalten.
Infolge des durch ein angelegtes elektrisches Feld erzeugten Ionentransports erzeugen diese Trägerampholyte
die pH-Funktion bzw. -Wirkung, welche die Trennung hervorruft
Bei allen elektrophonischen Verfahren ist man
daran interessiert, die Trennzeit bei der Elektrofokussierung zu verringern. Bei elektrofokussierenden Versuchen,
bei denen der pH-Gradient durch Trägerampholyte erzeugt wird, werden die Probensubstanzen nach
Errichtung pH-G; idienten in Richtung auf ihre entsprechenden isoelektrischen Punkte transportiert.
Die Bildung eines pH-Gradienten und der Transport der Probensubstanzen zu ihren isoelektrischen Punkten läßt
sich schneller durchführen, wenn die angelegte Spannung und damit die Feldstärke erhöht wird. Das
Anlegen hoher Spannungen ist jedoch dadurch begrenzt, daß im System Energie erzeugt wird und daher
das System gekühlt werden muß. Der größte Teil des Stromtransportes während der Bildung des pH-Gradienten
und während der späteren Verfahrensstufen erfolgt durch die Trägerampholyte und nur ein Bruchteil
des Stromtransportes ist aud die Probe bezogen. Wenn daher ein pH-Gradient die Bildung desselben und die
Aufrechterhaltung desselben keinen Stromtransport benötigen würde, könnte man die Zeit für die
Elektrofokussierung beträchtlich verringern. Darübe: hinaus läßt sich die Unterscheidbarkeit der Zonengrenzen,
welche map bei der Elektrofokussierung erhält, mit der Feldstärke erhöhen. Eine erhöhte angelegte
Spannung würde daher zu einer Vergrößerung des Auflösungsvermögens führen.
beruhen, besitzen noch endere Nachteile, Es gibt Verfahren τυτ Herstellung synthetischer Trägerampholyte
für den allgemeinen analytischen Gebrauch und zum Trennen. Diese Verfahren ergeben jedoch Ampholytmischungen
mit beträchtlichen Änderungen der s Leitfähigkeit und Konzentration im gebildeten pH-Gradienten.
Das Auftreten eine?; pH-Gradienten ändert sich
ebenfalls in Abhängigkeit von der Zeit Außerdem ergibt eine Ctrömungsverzerrung des pH-Gradienten
eine Bewegung der Probenzonen.
Wenn man pH-Gradienten erzeugt, um einen
begrenzten pH-Bereich zu umfassen, besteht das Bestreben, daß die Anzahl der einzelnen Ampholyte
innerhalb dieses Bereiches bei diesen Typ von Ampholytmischungen gering ist
Um schwere Störungen in den pH-Gradienten, welche auf Trägerampholyte gegründet sind, zu
vermeiden, darf die Probe keine allzu großen Salzmengen enthalten. Bei der präparativen Elektrofokussierung
folgt auf die Elektrofokussierung eine Präparierstufe, während weicher die Probenkomponenten von den
Trägerampholyten gelöst werden.
Aus der eingangs erwähnten US-PS 36 6Λ 939 ist es
bekannt, auf Trägern stabile pH-Gradienten in kurzer Zeit dadurch zu gewinnen, daß man mit Hilfe einer den
Träger umgebenden Flüssigkeit einen Temperaturgradienten längs des Trägers erzeugt, wobei es notwendig
ist, die umgebende Flüssigkeit in einem speziellen Behälter unterzubringen, was einen zusätzlichen apparativen
Aufwand erforderlich macht Ferner ist es aus der US-PS 35 23 863, der DE-OS 23 36 414 und der
DE-OS 22 34 000 bekannt, daß man bestimmte Eigenschaften von als Trennmedien dienenden Gelen durch
Beimischung von Zusätzen und durch Polymerisierung bestimmter Monomere ändert wobei jedoch eine
Erhöhung des elektrischen Feldes nicht angesprochen ist
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei
dem ohne zusätzlichen apparativen Aufwand die pH-Funktion erzielt wird und die Anwendung eines
erhöhten elektrischen Feldes beim Trennvorgang möglich ist.
Diese Aufgabe wird beim Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die
pH-Funktion aus den Proteolysegieichgewichten mit dem Trennmedium aus geladenen und/oder aufladbaren,
in einer Matrix unbeweglich gemachten Gruppen, welche eines oder mehrere der Elemente Kohlenstoff, so
Schwefel, Phosphor, Bor oder Stickstoff enthalten, gewonnen wird.
Bei der Erfindung wird die pH-Funktion dzw. -Wirkung durch nicht bewegliche geladene oder
aufladbare Gruppen gewonnen. Die aufladbaren Grup- S5
pen enthalten dabei solche Gruppen, welche durch Abspaltungs- bzw. Proteolysegleichgewichte in bezug
auf das verwendete Trennmedium positive oder negative Ladungen abgeben können. Beispiele negativ
aufladbarer Gruppen sind Kohlensäure-, Schwefelsäu- μ re-, Borsäure- oder Phosphorsäuregruppen. Hierunter
zählen auch Säureester und mehrwertige Säuren. Positiv aufladbare Gruppen können beispielsweise
verschiedene Arten von Aminogruppen oder anderen aufladbaren Stickstoffverbindungen sein. μ
Die Unbeweglichkeit kann dadurch erreicht werden, daß die Gruppen auf oder in eine Matrix gesetzt
werden. Dieses kam, auch das die Konvektion stabilisierende Medium bei der Trennung sein. Die
Matrix kann bevorzugt aus einem Material bestehen, welches in Verbindung mit dem Trennmedium ein Gel
bildet Das Unbeweglichmachen bedeutet, daß kein Transport der geladenen bzw. aufladbaren Gruppen
erfolgt, wenn ein äußeres elektrisches Feld angelegt wird^Die Beweglichkeit, welche die Gruppen aufgrund
der Flexibilität der verwendeten Matrixstruktur aufweisen, beeinträchtigt das vorbeschriebene Prinzip nicht
Bei Verwendung verschiedener geladener und/oder aufiadbarer Gruppen ändert sich die Konzentration
derselben entlang des Trennweges bzw. Feldes. Diese Gruppen können selbst oder in Verbindung mit
Ampholyten eine pH-Funktion erzeugen. Diese ist in bezug auf Zeit stabil und kann in zweierlei Hinsicht
entlang des Trennweges verändert werden. Hierzu kann die pH-Funktion in Abhängigkeit vom gerade herrschenden
Trennproblem bezüglich der pH-Änderung in Feldrichtung und bezüglich der Leitfähigkeit und
Pufferkzpazitäten optimiert werden.
Als Trennmedium kann man Wasser oder Wasser in
Verbindung mit Substanzen verwenden, weiche in Wasser lösbar oder mit Wasser mischbar sind. Als
Matrix kann ein bekanntes, die Konvektion stabilisierendes System verwendet werden. Dieses kann
zusarimen mit der pH-Funktion bzw. -Wirkung nach der Erfindung verwendet bzw. kombiniert werden. Das
die Konvektion stabilisierende System kann beispielsweise gekörnt oder faserig ausgebildet sein. Auch durch
Kapillarwirkung läßt sich eine Stabilisierung der Konvektion herbeiführen. Ein Gel ist ebenfalls geeignet.
Geeignete Stoffe sind beispielsweise Polyacrylamid, Zellulose, Agarose, Dextran, Polyvinylalkohol, Stärke,
Siliziumgel oder Polymere des Styrols. Divinylbenzols oder Kombinationen derselben. Die Mat: ix kann sich
dabei kontinuierlich von der Anode bis zur Kathode erstrecken oder sie kann unterbrochen sein, beispielsweise
durch Membranen in Mehrfachkammer-Elekirolyseeinrichtungen. Letzteres ist bei der Eiektrc'okussierung
von Interesse. Es ist jedoch notwendig, daß die Ampholyte, welche getrennt werden sollen, und/oder
Zugegebene Ampholyte eine ausreichende Leitfähigkeit in den Zonen zwischen den Elektroden bewirken,
welche nicht durch eine nichtbtwegliche geladene
und/oder aufladbare Gruppen enthaltende Matrix angefüllt sind.
Nichtbewegliche, aufladbare oder geladene Gruppen in einer Menge von 10~2 bzw, ΙΟ-4 Μ pro Liter reichen
aus, um die pH-Funktion bzw. -Wirkung gemäß der Erfindung zu erzeugen. Um scharfe Grenzen zwischen
den Zonen bei der Trennung zu erhalten, ist eine bestimmte Pufferkapazität jedoch von Vorteil. Die
Konzentration der nichtbeweglichen geladenen bzw. auf'idbaren Gruppen wird daher bevorzugt nicht unter
10~2 M pro Liter ausgewählt, wenn die pH-Funktion bzw. -Wirkung bei der Elektrophorese oder Elektrofokussierung
ohne Trägerampholyte verwendet wird. Jeder Abschnitt der Matrix, welche zur Konvektionsstabilisierung
dient, kann durch die Anwesenheit von nichtbeweglicheii aufladbaren bzw. aufgeladenen Gruppen
einen bestimmten vorgegebenen pH-Wert aufweisen. Um eine optimale Pufferleistungsfähigkeit zu
erhalten, besitzen die nichtbeweglichen Gruppen in einem bestimmten Abschnitt der Matrix pKs-Werte,
weiche nahe dem πΗ-Wert des Matrixabschnittes sind. Die obere Grenze der Konzentration der geladenen
bzw. aufladbaren Gruppen wird durch praktische Gegebenheiten vorbestimmt. Diese sind beispielsweise
die Anzahl der Gruppen, welche chemisch an die Matrix gebunden werden können oder die Anzahl an Gruppen,
welche die Matrix aufnehmen kann unter Beibehaltung der Eigenschaften, welche eine Konvektionsstabilisierung
bei der Trennung noch hervorrufen.
Es können verschiedene Verfahren zum Einbau der geladenen bzw. aufladbaren Gruppen in der Matrix
durchgeführt werden. Geeignete Derivate von Polyacrylamid können durch Copolymerisation hergestellt
werden. Fast alle konjugierten polaren Vinylmonomere bilden mit Acrylamid Copolymerisate. Auf diese Weise
erhält man schon eine große Auswahl an Vlöglichkeiten des Einbaus von geladenen und/oder aufladbaren
Gruppen in der Matrix, so daß diese unbeweglich gemacht werden können. Ein Beispiel eines funktionellen
Monomers, welches durch Reaktion zu einem Acrylamid enthaltenden Gel gebracht werden kann, ist
Vinylsulfonat, Acrylsäure, Vinylphosphorsiiure, Maleinsäure, Fumarursäure, Itakonsäure, Aconitsäure, Vinylpyridin,
Vinylimidazol, Allylamin und Diaüyiamin. AMe
funktionalen Derivate dieser Verbindungen, beispielsweise Ester der Säuren, welche eine geeignete
funktionale Gruppe enthalten, beispielsweise Aminoalcylacrylat, können mit Acrylamid copolymerisieren.
Einige der vorstehend erwähnten Monomere können bei Verwendung von Bisacrylamid oder anderen
Vernetzungsmitteln Gele erzeugen, ohne daß Acrylamid als Komponente im Polymer enthalten ist. Um
beispielsweise eine pH-Funktion in Polyacrylamid zu erzeugen, kann die Polymerisation beispielsweise auf
herkömmlichem Weg in einer Wasserlösung durchgeführt werden. Zum ingangsetzen der Reaktion können
Peroxide, Azoverbindungen, Redoxsysteme, fotochemische Systeme und/oder Ionenbestrahlung zur Anwendung
kommen. Einige Arten an Vernet2!ungsmitteln können in die Monomermischung eingebracht werden,
so daß das Copolymer ein Gel bildet Eine gesteuerte Änderung der Konzentration der Monomere kann auf
herkömmliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann man eine vertikale Polymerisationskammer anfüllen, in der
Weise, daß der Gradient, welcher bei der Fokussierung
verwendet wird, mit einem linearen Dichtegradienten übereinstimmt, welcher zur Konvektionsstabilisierung
notwendig ist und welcher einer Vermischung aufgrund der Wärmeentwicklung bei der Polymerisation entgegenwirkt.
Wenn die konvektionsstabilisierende Matrix schon vorliegt, was beispielsweise dann der Fall ist, wenn als
Matrix Papier oder Zelluloseacetat verwendet wird, werden Verbindungen mit geeigneten funktioneilen
Gruppen verwendet, welche in die Matrix eindringen und einen GrsJienten erzeugen können und welche
daraufhin in der Weise zu einer Reaktion veranlaßt werden können, daß in der Matrix unbewegliche
geladene bzw. aufladbare Gruppen erhalten werden. Diese können beispielsweise ein Teil eines Polymers
sein, welcher von der Matrix umgeben ist, oder sie können Teil eines Polymers oder einer anderen
Zusammensetzung sein, welche chemisch an der ursprünglich vorliegenden Matrix gebunden sind.
Bei der Durchführung einer elektrophoretischen Analyse oder Trennung unter Verwendung von gemäß
der Erfindung erhaltener pH-Funktionen läßt sich die Leitfähigkeit niedrig halten, während man eine gute
Pufferkapazität aufrechterhält Auf diese Weise kann eine hohe Feldstärke verwendet werden, woraus sich
kurze Trennzeiten ergeben, ohne daß hierbei eine nennenswerte Wärmeentwicklung entsteht Große
Elektrodenpuffervolumen sind bei der Erfindung nicht mehr notwendig. Es genügen geringe Berührungsvolumina
oder eine Säure oder Base.
Die pH-Funktion kann leicht bei der Elektrophorese in unterbrochenen Systemen verwendet werden. Hierzu
ist es lediglich notwendig, die pH-Funktion an einigen Teilen des Trennweges zu ändern. Natürlich ist es auch
möglich, sowohl die pH-Funktion als auch die konvektionsstabilisierende Matrix zu ändern, so daß die
id geladenen Moleküle unterschiedliche Beweglichkeiten
in verschiedenen Teilen des Trennweges haben.
Bei der Durchführung der Elektrofokussierung auf der Grundlage der pH-Funktion bzw. -Wirkung nach
der Erfindung erhält man außerdem als Vorteile eine
ι '> rasche Trennung und eine niedrige Wärmeentwicklung.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die pH-Funktion in Form eines pH-Gradienten zu erhalten
mit gleichmäßig verteilter Leitfähigkeit und Pufferleistungsfähigkeit bzw. -kapazität. Dies ist bisher bei
Verwendung von Trägeramphoiyten nicht vollständig möglich gewesen. Die Schwierigkeit der Bewegung des
pH-Gradienten ist bei Verwendung der pH-Funktion verhindert. Darüber hinaus kann man eine große
Salzmenge in der Probe zulassen, ohne daß die pH-Funktion gestört wird. Die Trennung kann außerdem
in einem fortlaufenden Verfahren durchgeführt werden, wobei das elektrische Feld senkrecht zum
konvektionsstabilisierten Fluß des Trennmediums ausgerichtet ist. Die Konvektionsstabilisierung kann auf
jo verschiedene Art und Weise erzielt werden. Beispielsweise
kann man ein gekörntes oder faseriges System verwenden, in welchem der pH-Gradient unbeweglich
gemacht ist. Auch eignen sich einige kapillare stabilisierte Systeme, bei welchen die Flußstabilisierung
J5 in einem Spalt bzw. Schlitz zwischen zwei benachbarten
Flächen, an welchen die pH-Funktion unbeweglich gemacht ist, erzielt wird.
In den F i g. 1 bis 4 sind die pH-Gradienten für vier
Ausführungsbeispiele angegeben.
Die für die Beispiele verwendeten Gele wurden in einer Polymerisationskammer mit Abmessungen von
110 χ 70 χ 2 mm gebildet Die pH-Gradienten wurden gebildet durch Auffüllen der Kammer mit 10 verschiedenen
Lösungen, deren Zusammensetzungen in den
« Figuren angegeben sind. Das Anfüllen wurde mit der
schwersten Lösung begonnen und es wurden dann mit abnehmendem Glyceringehalt die restlichen darübergeschichtet
Die Auffüllzeit betrug etwa 15 bis 20 Minuten. Zur Erzielung eines glatten Konzentrations- und
pH-Gradienten wurde die Kammer vier Stunden zur Ermöglichung von Diffusion stehengelassen. Die Polymerisation
wurde dann durch Co60-Bestrahlung während 20 Minuten mit einer Gesamtbestrahlungsdosis
von 80 Grad durchgeführt Nach der Bestrahlung wurden die Gele aus der Polymerisationskammer
entnommen und mit destilliertem Wasser 30 Minuten lang gewaschen. Die Gele wurden dann in einem
Elektrofokussierungsgerät verwendet
Zu Fig. 1
Der pH-Gradient wurde durch Copolymerisation von Acrylamid, Vinylsulfonat und N-{2-Dimethylaminoäthyljacrylamid
erhalten. In der Figur bedeuten
(1) den resultierenden pH-Gradienten
(2) die Konzentration des Vinylsulfonats in mM
(3) die Konzentration des Glycerins in Gew.-%
Konzentrationskonstanten:
Acrylamid
N.N'-Methylenbisacrylamid
N-(2-Dimethylaminoäthyl)-acrylamid
4,85 Gew.-% O,l5Gew.°/o
1,75 mM
Zu F i g. 2
Der pH-Gradient wird erzeugt durch Copolymerisation von Acrylamid, Acrylsäure, ι Vinylimidazol und
N-(2-Dimethylaminoäthyl)acrylamid. In der Figur bedeuten
(1) den resultierenden pH-Gradienten
(2) die Konzen'ration der Acrylsäure mM
(3) die Konzentration des Glycerins in Gew.-°/o
Konzentrat ions konstanten:
Zu F i g. 3
Der pH-Gradient wird erzeugt durch Copolymerisation von Acrylamid, Itaconsäure und N(2-Dimethylaminoäthyl)acrylamid.
In der Figur bedeuten
(1) den resultierenden pH-Gradienten
(2) die Konzentration des N-(2-Dimethylaminoäthyl)-,ierylamid
in mM
(3) die Konzentration des Glycerins in Gew.-%
Konzentrationskonstanten:
Acrylamid 4,85 Gew.-%
N1N' Methylenbisacrylamid 0,l5Gew.-%
Itaconsäure 20 mM
Zu F i g. 4
Der pH-Gradient wird erzeugt durch Copolymerisation von Acrylamid, Acrylsäure und I-Vinylimidazol. In
der Figur bedeuten
(1) den resiiltiprpnden nH-GradisrüSfi
(2) die Konzentration des 1 - Vinylimidazol in mM
(3) die Konzentration des Glycerins in Gew.-%
Acrylamid | 4,85 Gew.-% | Konzentrationskonstanten: | 4,85 Gew.-°/o |
N,N'-Methylenbisacrylamid | O,15Gew.-°/o | 2'< Acrylamid | 0,15 Gew.- Vo |
N-(2-Dimethylaminoäthyl)- | N.N'-Methylenbisacrylamid | 100 mM | |
acrylamid | 2OmM | Acrylsäure | |
1-Vinylimidazol | 8OmM | ||
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentansprüche:I. Verfahren zur Erzeugung einer stabilen pH-Funktion auf einem Träger für die elektrophoretische Trennung, dadurch gekennzeichnet, daß die pH-Funktion aus den Proteolysegleichgewichten mit dem Trennmedium aus geladenen und/oder aufladbaren, in einer Matrix unbeweglich gemachten Gruppen, welche eines oder mehrere der ι ο Elemente Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor, Bor oder Stickstoff enthalten, gewonnen wird.Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Gradient aus dem Zersetzungsgleichgewicht von entweder unbeweglich '-5 gemachten oder nicht unbeweglich gemachten geladenen und/oder aufladbaren funktionalen Gruppen mit dem Trennmedium erzeugt wird.3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Gradient gleichförmig oder nicht gleichförmig innerhalb des pH-Intervalls 2—12 oder Teile dieses Bereiches genauen wird.4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix als konvektionsstabilisierendes Medium verwendet wird.5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix durrh ein Gel gebildet wird.6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gel einen Porositätsgradienten aufweist7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, (i-iS die Matrix gekörnte Eigenschaften aufweist8. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix faseri." ausgebildet wird.9. Verfahren nach Ansprucn 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix eine oder mehrere Oberflächen in einem kapillaren stabilisierenden System bildet10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- -to zeichnet, daß die elektrophoretische Trennung als Zonenelektrophorese durchgeführt wird.II. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekeinzeichnet, daß die elektrophoretische Trennung als Immunelektrophorese durchgeführt wird.12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrophoretische Trennung als Elektrofokussierung durchgeführt wird.13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrofokussierung in Anwesenheit von einem oder mehreren nicht unbeweglich gemachten Ampholinen durchgeführt wird.14. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix, welche die unbeweglich gemachten Gruppen trägt, als permeable Membrane in einer Kammerelektrolysiereinrichtung verwendet werden und daß die pH-Funktion von den Membranen oder den Ampholyten gebildet wird.60
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