李懌
摘 ? ? ?要:肼是20世紀(jì)40年代火箭的經(jīng)典推進(jìn)劑,同時(shí)被廣泛用作塑料發(fā)泡劑。此外,肼由于其還原性和堿性,還經(jīng)常用于合成油漆、藥物和殺蟲劑。然而,肼對(duì)人體具有相當(dāng)大的毒性作用,包括對(duì)眼睛和皮膚的刺激、對(duì)肝臟、腎臟和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的損害。因此對(duì)肼進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)定意義重大。熒光測(cè)定法由于其無創(chuàng)性和良好的靈敏度,更適合生物應(yīng)用。介紹了肼探針的最新研究進(jìn)展。
關(guān) ?鍵 ?詞:肼;熒光探針;細(xì)胞成像
中圖分類號(hào):TQ 422 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A ? ? ? 文章編號(hào): 1671-0460(2020)02-0422-06
Abstract: ?As a classic propellant for rockets since 1940s,hydrazine is wildly used as blowing agent for plastics. In addition,hydrazine is often used in the synthesis of paints,pharmaceuticals and pesticides,due to its reducibility and alkalinity.However,hydrazine exhibits considerable toxic effect upon human,which includes irritation to the eyes and skin,damage to the liver,kidneys,and the central nervous system.Therefore,it is necessary to carry out accurate detection of hydrazine. The fluorometric method is expected to be more desirable for biological application because of its noninvasiveness and good sensitivity. In this paper, recent research progress of hydrazine probes was reviewed.
Key words: ?hydrazine; fluorescent probes; cellular imaging
肼作為一種重要的工業(yè)原料,廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域,包括防腐、感光化學(xué)品、紡織染料、制藥和乳化劑。肼作為一種具有相當(dāng)高燃燒焓的試劑,被用作火箭和導(dǎo)彈的推進(jìn)劑 [1]。然而,肼也是一類高毒性的化學(xué)物質(zhì),很容易通過皮膚或呼吸直接吸收,因此在使用時(shí)應(yīng)格外小心。過度吸收會(huì)導(dǎo)致嘔吐,刺激呼吸系統(tǒng),甚至對(duì)肝臟、肺、腎臟和人類中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害。根據(jù)美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的鑒定,肼是一種可能致癌的物質(zhì),其新限值為10 ppb。因此,開發(fā)高靈敏度和選擇性肼探針非常重要 [2,3]。傳統(tǒng)的檢測(cè)生物肼方法包括高效液相色譜、毛細(xì)管電泳分離、電化學(xué)以及質(zhì)譜法等,然而,這些常規(guī)方法存在耗時(shí)、靈敏度低、過程復(fù)雜等缺點(diǎn),限制了肼檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用 [4]。而利用熒光探針檢測(cè)游離肼具有操作簡(jiǎn)便、分辨率高、具有可選擇性、與底物識(shí)別靈敏度高、檢測(cè)限低以及可細(xì)胞內(nèi)成像等優(yōu)點(diǎn),近年來得到了廣泛的研究 [5,6]。然而,它們中的大多數(shù)是熒光“開啟”或“關(guān)閉”探針,僅使用一個(gè)熒光信號(hào),由于不可避免的干擾,如檢測(cè)環(huán)境、儀器調(diào)節(jié)探針的濃度,其靈敏度明顯不足。相比之下,使用多個(gè)互連熒光信號(hào)的比率熒光探針在很大程度上克服了這些問題。因此,一種響應(yīng)速度快、靈敏度高、具有體內(nèi)成像能力的穩(wěn)健比率熒光探針具有廣闊的應(yīng)用前景和較高的實(shí)用價(jià)值。
肼被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域中的合成與應(yīng)用,同時(shí)也帶來了巨大的環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。目前已開發(fā)的探針主要應(yīng)用與水體環(huán)境游離肼,生物細(xì)胞內(nèi)成像等領(lǐng)域。目前的設(shè)計(jì)思路主要是通過分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理來設(shè)計(jì)比色型熒光探針。檢測(cè)游離肼是一個(gè)目前在熒光探針研究領(lǐng)域的前沿方向,具有廣闊的研究前景和研究?jī)r(jià)值。以與肼發(fā)生反應(yīng)的基團(tuán)來分類,主要可以分為乙酰基結(jié)構(gòu)探針,乙烯丙二腈及烯烴結(jié)構(gòu)探針,四溴丁?;Y(jié)構(gòu)探針,鄰苯二甲酰亞胺結(jié)構(gòu)探針?biāo)念悺?/p>
1 ?常見的檢測(cè)游離肼的熒光探針反應(yīng)原理
檢測(cè)游離肼的分子探針通常為(on-off)熒光探針,一般的(on-off)型熒光分子探針的反應(yīng)機(jī)理包括光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移(Photoinduced Electron Transfer, PET)和分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(Intermolecular Charge Transfer, ICT)以及聚集誘導(dǎo)發(fā)射增強(qiáng)(Aggregation- Induced Emission Enhancement,AIEE)等。其中,光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移型熒光探針一般結(jié)構(gòu)如圖1a所示,被用于設(shè)計(jì)“ON-OFF”型熒光探針。在激發(fā)光發(fā)射的條件下,熒光團(tuán)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的激發(fā)電子,此時(shí)受體與連接的熒光之前會(huì)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移,激發(fā)態(tài)電子會(huì)位于熒光團(tuán)的最低空軌道與最高空軌道之間,導(dǎo)致熒光團(tuán)的激發(fā)態(tài)電子無法回到基態(tài),發(fā)生熒光淬滅,表現(xiàn)為“OFF”狀態(tài)。而探針受體部分與靶分子結(jié)合時(shí)會(huì)阻斷熒光團(tuán)與受體的內(nèi)部電子流動(dòng),而導(dǎo)致發(fā)射出熒光[7]。
基于ICT機(jī)理構(gòu)建的探針在與被測(cè)物反應(yīng)前后,探針的電子供體或電子受體的供/吸電子能力發(fā)生改變,從而產(chǎn)生了新的電子分布,新的不均勻的電子分布會(huì)使得熒光吸收光譜發(fā)生新的紅移或藍(lán)移,相應(yīng)的熒光強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生一定變化。[8]一般的,ICT探針由兩個(gè)部分組成:由電子供體(D: donor)和電子受體(A: acceptor),組成了電子推拉系統(tǒng)。當(dāng)受到激發(fā)光照射,產(chǎn)生電子激發(fā)時(shí)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)熒光探針中電子不均勻分布,從而使得分子偶極距改變,產(chǎn)生新的偶極子。當(dāng)目標(biāo)分子與探針相應(yīng)位點(diǎn)成鍵后,會(huì)導(dǎo)致整個(gè)體系的偶極距再次發(fā)生變化,由新的電子分布誘導(dǎo)分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移。這種機(jī)理常用于比色型熒光探針的設(shè)計(jì)[9]。
此綜述中,所涉及的熒光探針主要為分子內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理主導(dǎo)的比色型熒光探針。
2 ?目前應(yīng)用于檢測(cè)游離肼的熒光探針
2.1 ?具有乙?;Y(jié)構(gòu)的肼探針
2011年,Chang[10]等首次報(bào)道和提出了可以利用熒光探針檢測(cè)游離肼的概念。該探針由于具有乙酰丙酸酯結(jié)構(gòu)(如圖2所示),可以與游離的肼發(fā)生肼解,改變了原有熒光團(tuán)的電子分布,導(dǎo)致探針的熒光性質(zhì)發(fā)生了改變。該探針易于合成與純化,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在中性pH值下具有一定的反應(yīng)性。在探針與熒光分子結(jié)合發(fā)生肼解反應(yīng)后,產(chǎn)生了黃綠色熒光,在440 nm處有顯著的紫外特征峰。熒光最大吸收波長(zhǎng)為440 nm,最大發(fā)射波長(zhǎng)為475 nm,與游離肼反應(yīng)后具有顯著的熒光增強(qiáng)現(xiàn)象。然而該探針在檢測(cè)的過程中存在背景熒光干擾大,溶解性一般,無法透過細(xì)胞膜,僅能應(yīng)用于水體中的游離肼檢測(cè)。
2013年,Chang[11]等開發(fā)了兩種基于苯乙酸鹽的熒光探針,分別通過在二氯熒光素和間苯二酚熒光團(tuán)支架上摻入乙酸基團(tuán)來檢測(cè)肼。在二甲基亞砜(DMSO)和Tris緩沖溶液(pH=8.0,10 mM,1∶1,v/v)的混合物中,探針1是無色和非熒光的。用探針檢測(cè)溶液中游離肼時(shí),可以觀測(cè)到待測(cè)溶液的熒光吸收光譜發(fā)生了顯著變化,512 nm處產(chǎn)生新的強(qiáng)吸收峰,肉眼可觀察到相應(yīng)的顏色變化,待測(cè)液由從無色變?yōu)辄S綠色,并且可以在534 nm處產(chǎn)生顯著綠色熒光,這是游離二氯熒光素的特征光譜特征。探針2與游離肼也可以發(fā)生類似的肼解反應(yīng),同樣有明顯的顯色和熒光增強(qiáng)信號(hào)。1和2對(duì)肼均表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性,對(duì)工業(yè)化學(xué)檢測(cè)要求來說足夠靈敏。其缺點(diǎn)是很難應(yīng)用于細(xì)胞檢測(cè),具有一定的細(xì)胞毒性(如圖3所示)。
2013年,Peng[12]及其同事報(bào)道了基于CyrA衍生物熒光探針。在肼存在于乙酸緩沖液(pH=4.5,10毫摩爾)和二甲基亞砜(1∶9,v/v)的混合物中的情況下,該探針經(jīng)歷肼解過程釋放烯醇,烯醇進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為其相應(yīng)的酮形式,導(dǎo)致吸收和發(fā)射最大值的高移。在熒光探針的肼解過程中,溶液的顏色發(fā)生顯著變化,熒光發(fā)射波長(zhǎng)由784 nm轉(zhuǎn)變?yōu)?20 nm,熒光發(fā)射光譜主要發(fā)射峰由810 nm變?yōu)?82 nm。在582和810 nm處的熒光強(qiáng)度比隨著肼的濃度線性增加。該探針被成功地用于活的MCF-7細(xì)胞系中肼的成像和小鼠中(如圖4所示)。
2015年,Sun[13]等通過在萘酰亞胺(一種廣泛用于構(gòu)建熒光探針的結(jié)構(gòu))上加入乙酸酯基團(tuán),開發(fā)了新型熒光肼探針,該探針在432 nm處顯示出最大熒光。
加入肼后,432 nm處的發(fā)射強(qiáng)度逐漸降低,同時(shí)在熒光發(fā)射光譜中可以發(fā)現(xiàn)新的發(fā)射峰,其主要發(fā)射帶為543 nm,從而提供比率檢測(cè)和細(xì)胞成像。但是此熒光探針的響應(yīng)時(shí)間較慢,靈敏度一般。這也是乙酰丙酸脂類探針共有的缺點(diǎn)。大部分此類探針的響應(yīng)時(shí)間大于15 min(如圖5所示)。
乙酰丙酸酯結(jié)構(gòu)類探針往往具有相應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng),靈敏度一般的特點(diǎn),未來在設(shè)計(jì)乙酰丙酸結(jié)構(gòu)探針時(shí)需要可以考慮到這一點(diǎn),同時(shí)選用適宜的熒光團(tuán)來提高生物相容性,使探針的應(yīng)用范圍更廣。
2.2 ?具有乙烯丙二腈以及烯烴缺電子結(jié)構(gòu)肼探針
2012年,F(xiàn)an[14]等首次報(bào)道了以7-二乙基氨基-1,4-苯并噁嗪-2-酮(DEAB)為母核的檢測(cè)游離肼的熒光探針。由于DEAB分子是非對(duì)稱的,其激發(fā)態(tài)偶極矩遠(yuǎn)大于基態(tài)偶極矩。而發(fā)射波長(zhǎng)可以通過改性進(jìn)一步發(fā)展到近紅外區(qū)域。電子供體和受體應(yīng)該分別位于DEAB的3-和7-位。因此,在DEAB中引入了3-甲基丙二腈基團(tuán)(電子受體)以探針,亞芳基甲基丙烯腈和肼之間的特定反應(yīng)產(chǎn)生腙的產(chǎn)物,該產(chǎn)物影響分子內(nèi)電子密度分布,因此導(dǎo)致對(duì)水溶液中肼的吸收熒光比率反應(yīng)。此外,此探針可以穿透活細(xì)胞并定位在溶酶體中以顯現(xiàn)。這也是肼探針首次在細(xì)胞內(nèi)成功應(yīng)用。但是此方法存在背景噪音大,抗離子干擾弱的缺點(diǎn),限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用(如圖6所示)。
2014年Yang[15]等將丙二腈觸基團(tuán)加入吩噻嗪中,形成肼探針。在DMF-Tris緩沖液(10 mM,pH=7.4,7∶3,v/v)中與肼反應(yīng)后,由于探針與肼發(fā)生分子內(nèi)反應(yīng),形成了腙,探針電子分布發(fā)生變化,新的混合物在熒光發(fā)射光譜于490 nm的處熒光發(fā)射增強(qiáng)現(xiàn)象。該探針顯示肼的動(dòng)態(tài)范圍為5.0~20.0微米,檢出限為1.2×10-8 m。此外,該探針具有穩(wěn)定的生物相容性,已成功應(yīng)用于活細(xì)胞成像以及活體斑馬魚肼的可視成像化(如圖7所示)。
2019年,Qiu[16]等優(yōu)化了該探針,通過用丙二腈基團(tuán)修飾10-丁基-2-甲氧基-10H-吩噻嗪-3-甲醛,研制了一種比率式選擇性檢測(cè)肼的新型熒光傳感器PBM。探針PBM與之前的探針相比具有響應(yīng)速度快(10 min)、斯托克斯位移顯著選擇性好、靈敏度高(63.2 nM檢測(cè)限由體外實(shí)驗(yàn)獲得)、比率變化大(82倍)和對(duì)肼的細(xì)胞毒性低的優(yōu)點(diǎn)。此外,它還可以通過顏色變化監(jiān)測(cè)各種濃度的氣態(tài)肼,并以優(yōu)異的性能對(duì)生活在MCF-7 cells的肼進(jìn)行成像。是目前較為理想的肼熒光探針(如圖8所示)。
2016年Liu[17]等將二氰基乙烯基引入衍生的四苯乙烯(TPE)部分,設(shè)計(jì)了一系列聚集誘導(dǎo)發(fā)射(AIE)探針,用于溶液和固態(tài)肼的熒光和比色檢測(cè),基于探針染色的試紙條。其設(shè)計(jì)思路是通過引入不同的給電子基團(tuán),使整個(gè)體系的電子分布發(fā)生改變。比如將給電子基團(tuán)與四苯乙烯結(jié)合,產(chǎn)生的探針在可見光區(qū)具有更紅移的吸收和發(fā)射。這種方法中具有甲氧基的四苯乙烯對(duì)肼的響應(yīng)最好,可以作為檢測(cè)試紙檢測(cè)低濃度的肼蒸汽。乙烯基丙二腈作為識(shí)別部分,通過使用各種熒光團(tuán)支架或它們的衍生物,包括苯并噻唑[18]、咔唑[19]、苊醌[20]、蒽醛[21]、萘并噁唑[22]、甲?;讲⑧邕騕23]和二氰甲基‐4H‐色烯[24]等,都可以用于開發(fā)熒光肼探針(如圖9所示)。
除了乙烯基丙二腈,其他一些缺電子的烯烴結(jié)構(gòu)也可以通過類似的機(jī)制與肼反應(yīng)生成腙?;谶@種類型的反應(yīng),2013年Lin,[25]2017年Wang[26]等報(bào)道了新的熒光肼探針。基于2-氰基丙烯酸酯作為識(shí)別單元的兩個(gè)探針,已經(jīng)通過使用兩個(gè)不同的熒光團(tuán)—吡啶并甲基和菲并咪唑來設(shè)計(jì)?;陔乱l(fā)探針π-共軛體系的降解,合成了肼檢測(cè)的比色型熒光探針(如圖10所示)。
2.3 ?具有四溴丁?;Y(jié)構(gòu)的肼探針
肼的分子構(gòu)成可以視為兩個(gè)氨基共軛連接,這表明它具有兩個(gè)可以用于反應(yīng)的氨基位點(diǎn),在特定條件下可以進(jìn)行兩次親核反應(yīng)。因此,利用這種特殊的反應(yīng)性,一些課題組設(shè)計(jì)對(duì)肼具有優(yōu)異選擇性的熒光探針。大部分此類探針的設(shè)計(jì)原理是利用肼的雙重親核能力,4-溴丁酸酯基團(tuán)被用作肼探針設(shè)計(jì)的反應(yīng)部分。這種類型的熒光探針通常通過將4-溴丁酸鹽摻入含酚熒光團(tuán)來制備。反應(yīng)機(jī)理主要為肼首先親核取代溴原子,然后對(duì)酯羰基進(jìn)行親核攻擊,經(jīng)歷分子內(nèi)環(huán)化過程釋放出相應(yīng)的酚熒光團(tuán)(如試鹵靈,熒光素,香豆素等)。
2013年Goswami[27]等首先開報(bào)道了一種熒光肼探針,采用4-溴丁酸酯作為反應(yīng)部分。肼的存在可導(dǎo)致HBT部分的釋放,用以追蹤游離肼。此方法可以應(yīng)用于細(xì)胞成像。該探針的主要確定在于HBT的響應(yīng)釋放時(shí)間較長(zhǎng),無法做到迅速檢測(cè)(如圖11所示)。
Qian[28]等在2014年報(bào)道了具有試鹵靈結(jié)構(gòu)的探針。試鹵靈是一種非常靈敏的熒光基團(tuán),在水溶液中具有顯著的粉紅色,常被用于當(dāng)作顯色劑使用,當(dāng)具有試鹵靈結(jié)構(gòu)的探針被肼解以后,會(huì)直接釋放出試鹵靈基團(tuán),溶液由無色變?yōu)榉奂t色,是一種良好的肼的肉眼探針。相應(yīng)的,其缺點(diǎn)也在于試鹵靈分子很難作為活細(xì)胞肼檢測(cè)探針使用,往往只能應(yīng)用于體外實(shí)驗(yàn)(如圖12所示)。
目前很多課題利用不同的熒光團(tuán)上加入4-溴丁?;_發(fā)了一系列不同顏色的熒光肼探針?;跓晒馑兀珿oswami[29]等報(bào)告了一種“開啟”熒光探針。通過利用二氰甲基二氫呋喃支架,Li[30]等制備了一種遠(yuǎn)紅外熒光肼探針。Zhu[31]等開發(fā)了兩種基于類黃酮的熒光肼傳感器,它們都已應(yīng)用于活細(xì)胞中肼的檢測(cè)。Chen[32]等報(bào)道了一種基于香豆素?zé)晒鈭F(tuán)的高靈敏度肼熒光開啟探針。
2.4 ?具有鄰苯二甲酰亞胺結(jié)構(gòu)的肼探針
這種熒光探針的機(jī)理是鄰苯二甲酰亞胺被目標(biāo)伯烷基鹵進(jìn)行氮烷基化,然后肼解鄰苯二甲酰基團(tuán),此過程中會(huì)釋放出伯胺。一般的設(shè)計(jì)思路是將鄰苯二甲酰亞胺與含胺的熒光團(tuán)共軛連接,然后肼解釋放熒光團(tuán)來達(dá)到檢測(cè)的目的(如圖13所示)。
2014年Zhao[33]等報(bào)道了以丹磺酰氯為母核的具有鄰苯二甲酰亞胺結(jié)構(gòu)的肼探針,在HEPES緩沖液(pH=7.0,20 mM)和DMSO(1/9,v/v)的溶液中合成了一個(gè)開啟熒光肼探針(如圖14所示)。探針僅在475 nm(?=0.093)顯示極弱的熒光,肼的加入導(dǎo)致“開啟”發(fā)射(?=0.498 3),紅移至512 nm。但是這種探針最大的問題在于選擇性較差,鄰苯二甲基亞胺結(jié)構(gòu)有可能會(huì)被環(huán)境中的其他物質(zhì)解離。
值得注意的是,2014年,Cui[34]等報(bào)道了一種用于肼特異性檢測(cè)的探針。探針的肼解可以產(chǎn)生游離的7-氨基-4-甲基香豆素用作檢測(cè)信號(hào)。
該探針相比于其他鄰苯二甲酰亞胺探針來說,具有良好的抗金屬離子干擾的能力,熒光背景噪音少,可以用于氣態(tài)肼與hela細(xì)胞中肼的檢測(cè)。這也是目前較為理想的非生物體內(nèi)肼檢測(cè)探針。主要缺點(diǎn)在于暫時(shí)無法應(yīng)用于生物體內(nèi)成像,生物相容性較差(如圖15所示)。
2016年Das[35]等報(bào)告了一種基于菲咯咪唑熒光團(tuán)的熒光肼探針。該探針在其他幾種競(jìng)爭(zhēng)性胺衍生物存在的情況下對(duì)肼表現(xiàn)出高選擇性,并已用于實(shí)時(shí)檢測(cè)異煙肼在活細(xì)胞中代謝過程中原位生成的肼。這也是目前具有鄰苯二甲酰亞胺結(jié)構(gòu)的探針在活細(xì)胞檢測(cè)中的首次報(bào)道(如圖16所示)。
通過使用幾個(gè)其他熒光團(tuán)基團(tuán)一些課題組設(shè)計(jì)了幾個(gè)其他熒光肼探針,包括吡唑啉[36]、苯并噻二唑[37]、BODIPY[38]、肼-萘酰亞胺[39]、和熒光素[40]。但是這些結(jié)構(gòu)的熒光探針通常都有生物相容性差和抗干擾能力差的缺點(diǎn)。
3 ?結(jié)論
由于肼的廣泛工業(yè)應(yīng)用,目前已經(jīng)開發(fā)出來許多在不同介質(zhì)中(包括在水溶液和有機(jī)溶劑、氣態(tài)和生物系統(tǒng)中)檢測(cè)肼的有效光學(xué)探針。在這篇綜述中,系統(tǒng)地總結(jié)了已報(bào)道的熒光肼探針。這些探針根據(jù)與肼發(fā)生的反應(yīng)基團(tuán)進(jìn)行分類。這些探針中的一些顯示出良好特性,例如高選擇性和靈敏度、比率響應(yīng)高、具有實(shí)時(shí)檢測(cè)能力等,但大部分仍然需要進(jìn)一步細(xì)化識(shí)別部分和提高探針的生物相容性,以實(shí)現(xiàn)高特異性和體內(nèi)感測(cè)。
肼由兩個(gè)氨基組成,是一種強(qiáng)親核試劑,可以參與多種親核反應(yīng)。目前報(bào)道的肼探針大多數(shù)具有單一親電子位點(diǎn),用于肼的親核攻擊。但是這種類型的探針可能具有較差的選擇性、較慢的反應(yīng)速率或較差的穩(wěn)定性。然而,一些探針具有兩個(gè)親核反應(yīng)位點(diǎn),利用肼的能力進(jìn)行兩個(gè)連續(xù)的親核反應(yīng),從而獲得高選擇性。
未來肼探針的發(fā)展方向可以繼續(xù)利用肼獨(dú)特的雙親核特性來設(shè)計(jì)新的高特異性識(shí)別部分,從而設(shè)計(jì)更有效的探針,這些探針有望通過結(jié)合肼的各種親核特性來提供多種可能性。 AIE探針在生物系統(tǒng)中也是可行的,但是通過利用發(fā)光聚集實(shí)現(xiàn)開啟熒光響應(yīng)這種肼探針報(bào)道很少。這也是未來探針發(fā)展的一個(gè)重大方向。
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