余洋 王秋华 周佳俊 梁佳豪 谭依锦 廖婵娟
摘要:敌敌畏是一种广谱、高效、速效的磷酸酯类杀虫剂,在植物源性食品中的使用率极高,主要施用于叶菜类蔬菜、番茄、黄瓜、菜椒类裸露果实蔬菜。文章简述了有机磷类杀虫剂敌敌畏在植物源性食品中的使用及残留现状,并分别从色谱法、光谱法、酶抑制法、免疫分析法和生物传感技术5个方面概述了敌敌畏的残留检测技术应用现状。随着技术的完善,敌敌畏的检测将朝着简单高速、精准灵敏、现场快速检测、多组分检测和微型化自动化的方向发展,为敌敌畏残留检测的深入研究提供有力的技术支撑。
关键词:敌敌畏;植物源性食品;残留;检测技术
中图分类号:S482.3;O657 文献标志码:A DOI:10.16465/j.gste.cn431252ts.20230318
基金项目:湖南省教育厅重点项目(21A0129);湖南农业大学大学生创新训练项目(xcx202210537030)。
Dichlorvos residue and detection techniques in plant source food
Yu Yang, Wang Qiuhua, Zhou Jiajun, Liang Jiahao, Tan Yijin, Liao Chanjuan
( College of Environment and Ecology, Hunan Agricultural University, Changsha, Hunan 410128 )
Abstract: Dichlorvos is a broad-spectrum, highly-effective and fast-acting phosphate insecticide that is highly used in plant source food and it is mainly applied to leafy vegetables, tomatoes, cucumbers and peppers in bare fruit and vegetables. In this paper, the use and residual status of organophosphorus insecticide dichlorvos in plant source food were briefly described. It also summarised the current status of dichlorvos residue detection techniques from five aspects chromatography, spectroscopy, enzyme inhibition, immunoassay and biosensing technology. With the improvement of technology, detection will develop in the direction of simple and high-speed, accurate and sensitive, on-site rapid detection, multi-component detection and miniaturized automation, which will provide strong technical support for the in-depth research of dichlorvos residue detection.
Key words: dichlorvos, plant source food, residue, detection techniques
敵敌畏属于磷酸酯类杀虫剂,其挥发性强、微溶于水、易水解,在碱性或受热条件下水解加速,在中性液体环境下的半衰期只有30 min[1]。水解后的产物无毒害,属中等毒性农药,常用于果蔬、茶、桑及室内杀虫。
在我国,敌敌畏于农产品中使用频繁,2018年其使用量居农药使用量前列[2],2020年对长江流域重庆段水体监测中,其残留量位13种农药之首[3]。敌敌畏无论短期或长期接触都会对人体健康产生威胁,会导致人呼吸困难甚至昏迷死亡,对肝和肾功能均有负面影响[4]。我国现行的国家标准(GB 2763—2021)[5]规定植物源性食品中敌敌畏的最大残留限量(maximum residue limit,MRL)为0.5 mg/kg。目前可达到安全无残留的施药方式是将敌敌畏乳油稀释300~2 000倍喷洒于农作物上,经实地调研发现,部分农民在施药过程中不按GAP(良好农业规范)的标准执行,施药时对敌敌畏的稀释倍数太小,导致敌敌畏残留量超标问题频出。在国外,敌敌畏自20世纪50年代被开发出来后也经历了过量使用时期,因其滥用导致严重环境污染问题,现阶段已限制使用。欧盟执委会宣布,自2012年11月1日起,敌敌畏将不能在除农用领域外作为杀虫剂使用,且不给予敌敌畏农药登记和售卖[6]。新西兰环保局指出敌敌畏高毒且存在不同水平的暴露风险,拟对敌敌畏采取严格的限制使用措施[7]。敌敌畏在澳大利亚被用于豆类蔬菜、谷物及某些水果中,因其MRL和膳食暴露值数据不充分,澳大利亚相关部门限制其施用方式和使用间隔期[8]。但由于敌敌畏生产工艺成熟且售价低,仍被许多发展中国家广泛使用。
由此看来,规范和限制敌敌畏在果蔬中使用,进一步完善其配套的残留检测技术也就显得十分重要。本文通过对敌敌畏在植物源性食品中的多种检测方法进行综述,并对其未来发展方向进行展望,以期为敌敌畏残留检测技术深入研究提供参考。
1 敌敌畏在植物源性食品中的残留现状
1.1 敌敌畏在植物源性食品中最大残留限量现状
不同国家和地区针对自身国情,对敌敌畏在植物源性食品中的MRL做出了不同规定。如表1所示,以中国在GB 2763—2021中41项敌敌畏于植物源性食品中的MRL目录为对照,与欧盟和日本的标准进行对比。不难看出,在世界范围内,不同国家都比较重视敌敌畏在植物源性食品中的残留量,尤其是欧盟,公布了312项敌敌畏MRL指标,范围在0.01~0.1 mg/kg;在亚洲地区,日本公布了131项敌敌畏MRL指标,范围在0.1~0.5 mg/kg;我国公布了41项敌敌畏MRL指标,范围在0.05~0.5 mg/kg。可以看出,我国敌敌畏在植物源性食品中的最大残留限量,无论从限定的种类上还是在限定的浓度范围,与相对发达国家和地区还存在一定差距。
自1981年开始,我国食品中农药MRL值依次经历了GB 2763—1981、GB 2763—2005、GB 2763—2012、GB 2763—2014、GB 2763—2016、GB 2763—2019、GB 2763—2021 7个标准阶段。40年间,敌敌畏的最大残留限量从最开始未列入GB 2763,到2012年正式納入GB 2763并公布了28项指标;2016年,新纳入“棉籽”“苹果”;2019年,新增“胡萝卜”“调味料”,以及1种茎类蔬菜、3种叶菜类蔬菜和4种芸苔类蔬菜;2021年,新纳入“香蕉”后到达41项。从中可以看出,我国关于敌敌畏最大残留限量的制定工作在不断发展,尤其在近几年备受重视,已逐步与世界接轨。
1.2 敌敌畏在植物源性食品中的抽检残留现状
在中国,由于生产经营的分散性,生产技术不能适应食品生产的新要求,敌敌畏在蔬果中都存在不同程度的残留,部分地区的蔬果抽检合格率较低。孙胜龙等[9]分析了吉林长春主要蔬菜中的农残,主要农残种类为敌敌畏、氧化乐果和甲胺磷,农残平均超标率为11%。黄久红等[10]抽检了江苏泰州市区蔬菜试验基地和农贸市场的部分蔬菜样品,发现农残超标率达38%,其中敌敌畏超标率为5%。郭忠等[11]对从河北唐山随机采集的新鲜蔬菜进行检测,其中有机磷农残超标最多的是菜花和韭菜,超标率高达80%,其中敌敌畏超标率为3%。高海红[12]发现河北邯郸果蔬上存在着不同程度的敌敌畏残留污染,在果菜类蔬菜上超标率12%,在豆类蔬菜上超标率16%,在块根类蔬菜上超标率13%。张莹等[13]在黑龙江哈尔滨市售蔬果中抽检了共300余份蔬菜水果,发现敌敌畏的检出率分别为4%和3%。唐娜[14]监测分析了山东济宁城区蔬菜中的有机磷农药残留量,结果显示敌敌畏残留超标率为33.3%,排在了超标农药前三位。我国敌敌畏残留量超限的问题不容忽视。
在国外,蔬菜也检出了不同程度的敌敌畏残留。Esturk等[15]分析了土耳其哈代省的欧芹、莴苣和菠菜样品,所有样品均含有3种或更多种活性物质的残留物,其中敌敌畏检出率100%,敌敌畏在3种蔬菜中的检出量范围为0.002~0.071 mg/kg。因样品中的农药残留量较高,土耳其已禁止敌敌畏在大部分果蔬上的使用。Sinyangwe等[16]从赞比亚卢萨卡市的几个研究地点随机抽取了一些蔬菜,检测结果显示63%的样品敌敌畏残留量超标。Ngabirano等[17]抽检了乌干达西南部的蔬菜,发现超过50%的蔬菜样品存在农残超标的现象,其中敌敌畏的检出浓度为0.002 40~0.341 02 mg/kg。
2 植物源性食品中敌敌畏的检测方法
常见的检测果蔬等植物源性食品中敌敌畏的方法可分为色谱法、光谱法、酶抑制法、免疫分析法以及生物传感技术五类[18]。
2.1 色谱法
色谱法是使用得最广泛的仪器分析法,也被认作是最典型的检测方式[19]。目前常用于检测敌敌畏的色谱法有气相色谱法(gas chromatography,GC)、气相色谱-质谱法(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)、高效液相色谱法(high performance liquid chromatography,HPLC)和液相色谱-质谱联用法(high performance liquid chromatography-mass spectrometry,HPLCMS)。
2.1.1 气相色谱法
GC法是以气体作为流动相,利用物质性质差异实现化合物分离的一种检测方法,可以用来分析气体以及能汽化且不分解的物质。敌敌畏常用的检测器为火焰光度检测器(flame photometric detector,FPD)和氮磷检测器(nitrogen phosphorus detector,NPD)。由于GC对分析样品有较高标准,其使用的前处理技术也显得尤为关键。目前GC使用得比较多的前处理技术有SPE固相萃取技术、SPME固相微萃取技术、QuEChERS技术等。GC法分析快速,分离效果佳,有较高灵敏度。
李雄等[20]用GC-NPD法测定敌敌畏在水稻中的残留,检出限为0.01~1.00 mg/kg。邰亮等[21]用GC-FPD法测定敌敌畏在大米中的残留,检出限为0.015 mg/kg,RSD为1.73%~1.94%。陈光强等[22]采用GC-FPD法检测大米中的有机磷农药残留,在0.05~1.00 μg/mL添加范围内敌敌畏的线性关系良好,其回收率为89%~93%,RSD为1.52%~3.11%,检出限为0.001 1 mg/kg。张舸等[23]采用GC-FPD法测定敌敌畏等6种有机磷农药在粮食中的残留,在0.001~8.000 μg/mL范围内农残质量浓度与峰面积的线性关系良好,RSD为2.85%~4.86%。Trivedi[24]研究了印度勒克瑙市果蔬中有机磷农药残留,敌敌畏回收率为74%,检出限为0.003 mg/kg。Srivastava等[25]运用GC法检测162种芒果中的有机磷农药残留量,敌敌畏在0.05~0.50 mg/kg添加水平中回收率为78%~85%。
综上,GC法能有效检测敌敌畏残留,并获得高回收率、低检出限和高精度的检测结果,但因基质、色谱柱和检测器等因素之间的差异,会导致敌敌畏添加回收率产生误差。
2.1.2 气相色谱法-质谱法
GC-MS普遍应用在多组分的离析和辨别上。该技术以分析沸点较低、热稳定性好的化合物为主,简便快捷。常用的离子源有电子轰击离子源(electron impact ion source,EI)和化学离子源(chemical ion source,CI),所使用的前处理技术包括SPE固相萃取技术、膜处理技术和紫外光解技术等。GC-MS法分离效率高,能定性定量分析待测样品,对组分结构有较为精确的判断。
王洪涛等[26]使用GC-MS技术检测有机磷农药在绿茶中的残留,得出在25.0~200.0 μg/L范围内农药的线性关系良好,在0.010~1.010 mg/kg加标水平下敌敌畏回收率为83.6%~89.4%,RSD为3.1%~6.4%,能够简单快速地检测敌敌畏残留。Tripathy等[27]用GC-MS检测印度药用植物中的敌敌畏残留,其线性范围为0.01~1.00 mg/L,相關系数大于0.98,回收率为70%~120%。Ventura等[28]用GC-MS定量分析5种有机磷农药,通过对样品的分析,发现在0.08~0.32 mg/L范围内敌敌畏的线性关系良好,且回收率为97%~115%,RSD为1.6%~4.9%。Amirahmadi等[29]用GC-MS检测大米中17种农药的残留,其中不同添加水平敌敌畏的回收率分别为96%~109%,RSD为2.6%~17.0%。
GC-MS法分析速度快,灵敏度较GC高,适应性强,对敌敌畏样品的分离与鉴定可同时完成,准确性显著提升。
2.1.3 高效液相色谱法
HPLC法属于色谱法重要旁支,以液体作为流动相,把不同极性和配比的流动相泵入色谱柱,经分离后进入高灵敏度的检测器中进行检测。目前国内外液相色谱通常采用的前处理方法有SPE固相萃取技术、SFE超临界萃取技术和SPME固相微萃取技术。HPLC法检验效率高、应用范围广,检测敌敌畏常用紫外检测器(ultraviolet detector,UVD)、二极管阵列检测器(hoto-diode array,DAD)以及荧光检测器(fluorescence detector,FLD)。
陈若虹等[30]建立了果汁中有机磷的HPLC检测方法,其中敌敌畏质量浓度为0.5~10.0 mg/L时相关性良好,在0.8、1.5、4.0 mg/L 3个加标水平的平均回收率为83%~96%,RSD为3.2%~6.5%,表明该方法稳定且适用于检出敌敌畏残留。宓鹤鸣等[31]以丙酮—乙腈为萃取剂提取稻谷中残留的敌敌畏,经柱层析净化,HPLC法检测,结果表明敌敌畏质量浓度为2~25 mg/L时线性关系良好,检出限为0.5 mg/kg,稻壳平均添加回收率为81%,RSD为3.9%;糙米平均添加回收率为79%,RSD为4.0%。
HPLC检验敌敌畏残留,分离效果佳,检测结果更加稳定,较GC检测灵敏度高,但由于溶质在液体中的扩散系数小,被检测的组分容易滞留在进样器、柱接头、检测池等死空间中,会导致柱效有所降低。
2.1.4 液相色谱-质谱联用法
HPLC-MS是把液相色谱的强分离能力和质谱的高选择性、高灵敏度有效地结合而产生的一种检测方法。HPLC-MS法能够准确地提供化合物结构用于定性分析,常用电离源有大气压电喷雾电离源(electron spray ionization,ESI)、大气压化学电离源(atmospheric pressure chemical ionization,APCI)和光电电离(photoionization,PI)等。液质联用不需要对样品进行繁杂的前处理,目前液质联用使用较多的前处理技术包括QuEChERS技术、固相萃取技术、液液萃取技术、蛋白沉淀技术等。该方法能够有效解决样品检验过程中出现的定性困难、离子干扰严重、化合物含量较低等问题。
招钰娟等[32]构建了韭菜中16种有机磷农药残留的HPLC-MS方法,检测显示,敌敌畏质量浓度为5×10-4~2×10-2 mg/L时线性关系良好,平均回收率为80%~94%,RSD为0.34%~4.30%。梁达清等[33]用HPLC-MS法测定了香菇中的23种有机磷农残,结果显示在0.005~0.100 mg/L范围内敌敌畏线性关系良好,平均回收率为75%~80%,RSD为8.5%~12.0%。Chamkasem等[34]通过LC-MS/MS分析了鳄梨中136种农药的残留,将鳄梨切碎后经乙腈提取直接注入LC-MS/MS,在0.1、0.5、2.0 mg/kg的添加水平下,敌敌畏的平均回收率为74%~94%,RSD为5.7%~15.0%。Deme等[35]基于SPE和液相色谱-电喷雾离子化串联质谱(LC-ESI-MS/MS)的简单特异性分析法,测定椰子水中有机磷农药残留物,在10-4~1 mg/L的质量浓度范围内,线性回归系数良好,在0.01、0.05、1.00 mg/L 3个添加水平下敌敌畏回收率达到86%~104%,RSD为3.9%~7.9%。Ozkan[36]使用LC-MS/MS分析一些油籽和坚果中的农药残留量,在开心果样品中敌敌畏平均回收率为72%,RSD为1.7%。
HPLC-MS技术适应范围广,可解决敌敌畏分析过程中热不稳定难题,且能获得较低的检出限,方法稳定、可靠。相对LC-MS单级质谱技术,LC-MS/MS二级串联质谱技术,可以给出多级质谱结果,对有机物检测的定性分析更加精准。然而该系列仪器运行成本高,且对操作人员技术要求高,不适用现场检测分析,在多数基层农产品、食品安全检测部门推广难度大。
2.2 光谱法
光谱法利用物质的光谱特征,对已知物进行定性、定量分析。因光谱法流程简单,能直接测量3种相态样品的优点,相比于色谱法,光谱技术在农药残留检测中有很强的应用潜力,被广泛应用在农药生产以及在线质量监测。可用于检测敌敌畏的光谱法有红外光谱法(infrared Radiation,IR)、原子荧光光谱法(atomic fluorescence spectrometry,AFS)、紫外-可见分光光度法(ultraviolet and visible spectrophotometry,UV-VIS)和分子磷光光谱法(molecular phosphorescence spectroscopy,MPS)等。
龚瑞昆等[37]用傅里叶变换红外光声光谱检测生菜中的敌敌畏,光谱扫描范围为300~800 nm,调制频率为8~200 Hz,线性关系在0.014~0.885 mg/L范围内良好,检出限为0.012 mg/kg。李文秀等[38]用中红外误差全反射光谱测定蔬菜中的敌敌畏,结果显示在中红外波段,在不考虑色素影响的情况下,敌敌畏的检出限为0.015 mg/kg。王清路等[39]用荧光光谱法测定了敌敌畏在大白菜叶面的半衰期,当激发波长为280 nm时,敌敌畏发射峰位于328 nm处,半衰期为48 h。Janghel等[40]将敌敌畏在碱性条件下水解后用二苯胺基脲二氯乙醛进行耦合,发现通过紫外-可见分光光谱法检测,其摩尔吸光系数、桑德尔灵敏度和相关系数分别达到2.9×105 L/(mol·cm)、0.013 μg/cm2、0.999 9。Santos等[41]基于敌敌畏与六肽之间的强相互作用,通过紫外-可见分光光谱法监测了新型乙酰胆碱酯酶仿生六肽的分子建模设计及其与敌敌畏的相互作用。
与色谱法相比,光谱法属于非破坏性检测技术,优点在于检测速率高、操作简单、仪器运行成本低,可达到气相色谱法检测精度要求,测量结果精确高、仪器稳定性好。然而该检测方法在测定敌敌畏时易受光学系统参数等因素影响,且特定显示剂一次只能匹配一种特定农药[42],具有局限性。
2.3 酶抑制法
酶抑制法(enzyme inhibition,EI)是通过比较特定农药对检测酶的抑制力强弱来进行农残分析,是一种较成熟的农药快速分析法,具有快速、简捷,检测成本较低等优点。该法常用的酶类有乙酰胆碱酯酶、羧酸酯酶、动植物酯酶和丁酰胆碱酯酶。
姜露[43]用未经纯化的麦麸酯酶,在最佳酶活抑制率测定的基础上以加标回收率为指标,对酶抑制法快速检测农残的前处理方法进行优化,结果显示敌敌畏的回收率为91%~102%,RSD为1.2%~6.3%。曲林姣等[44]构建了基于植物酯酶-Cu3(PO4)2杂化纳米花双酶活性的酶抑制型检测法,该法对敌敌畏的检出限为0.26 pmol/L,在实际果蔬样品中回收率为96.8%~107.4%,RSD≤3.7%。罗俊霞等[45]用酶抑制法测定50种有机磷类农药的检出限,结果显示敌敌畏在农药取用量为1.25 μL的情况下,抑制率为57.8%,当样品浓度到达一定值后,敌敌畏抑制率接近100%,可用于检测敌敌畏残留。Pimsen等[46]成功开发了一种基于聚二亚乙基和乙酰胆碱酯酶的抑制剂检测敌敌畏的新比色法,可以从比色响应百分比确定敌敌畏浓度,其检出限为6.7×10-3 mg/kg,表明该方法对敌敌畏选择性好。美国的Giang于1951年首先将酶抑制法用于微克级的农药残留分析[47]。
酶抑制法检测敌敌畏,操作简单,速度快,适合大批量筛选检测,减少了检测时间,而且酶来源方便,不过不同的酶对敌敌畏的抑制强度不同,稳定性和灵敏度也存在差异。另外,不同批次酶的质量、处理时间、反应温度、pH等对结果有较大影响,需严格控制检测过程,以降低因处理条件的不同而导致的检测结果误差。
2.4 免疫分析法
免疫分析法(immunoassay,IA)是一種生物化学分析方法,是利用抗体与抗原之间的高选择性反应建立的,其选择性高、检出限低。一般使用酶联免疫法(enzyme-linked immunosorbent assay,ELISA)来测定敌敌畏,常用的检验仪器有微孔板固相酶免疫测定仪(酶标仪)、半自动微孔板ELISA分析仪和全自动微孔板ELISA分析仪。
胡寅等[48]研究发现,纳米磁珠间接竞争ELISA对敌敌畏有较好的识别作用,敌敌畏的半抑制质量浓度为1.29~6.34 mg/L,较传统方法降低68%~96%,灵敏度大幅度提高。Yaneva等[49]通过将敌敌畏的半抗原与牛血清的载体蛋白缀合,产生敌敌畏多克隆抗体,测定敌敌畏免疫原,并使用间接酶联免疫吸附测定来表征抗体与半抗原共轭物的反应性。结果表明,在1×10-5~5×10-3 mg/L的线性范围内,敌敌畏半抑制质量浓度为5×10-4 mg/L,检出限为6×10-6 mg/L,变异系数为5.9%,这种免疫测定法对敌敌畏的定量筛选具有较大潜力。
免疫分析法选择性强、灵敏度高,能够批量检测且成本较低,可满足现场快速检测的需要,与理化分析对样品的前处理要求相比,简便且检出限灵敏度高。而敌敌畏抗体的制备是个难点,因为抗体对温度、制备时间、试剂浓度等因素都有严格的要求,对结构相似的化合物也有一定程度的交叉反应,因此比较容易产生假阴性的结果。
2.5 生物传感技术
生物传感技术(biosensor technology,BT)是将生物化学反应信号转换成可检测的电信号,信号大小与待测农药的浓度成比例,由生物敏感部件(如酶、抗体、核酸等)和检测器(光、电化学等)集成。最初检测有机磷农残的生物传感器是基于一种或几种分析物对乙酰胆碱酯酶的抑制程度进行判断[50]。
侯菊英等[51]构建了乙酰胆碱酯酶抑制剂荧光传感器,并在6.0×10-6~6.0×10-5 mg/L的线性范围内检测到敌敌畏。姜海洋等[52]制出新型乙酰胆碱酯酶生物传感器,结果表明在6.5×10-8~6.5×10-3 mg/L的范围内敌敌畏抑制程度与其浓度的负对数有良好线性关系,检出限为6.46×10-8 mg/L。王晓朋等[53]建立了一种高灵敏度生物传感器用来检测敌敌畏残留,结果显示当敌敌畏质量浓度为0.08~10.00 mg/L时,R2为0.990 3,检出限为0.054 mg/L,并且在最佳条件下使用该传感器对敌敌畏进行多次测定,得到RSD值都低于7.0%,精密度好。Wei等[54]制备了基于离子液体的乙酰胆碱酯酶生物传感器,敌敌畏的检出限为6.61×10-8 mg/L。Itoh等[55]将酶包封在杂合介孔二氧化硅膜(F127-MST)中,成功制出具有乙酰胆碱酯酶固定单元的酶传感器,测试结果显示,在0~0.1 mg/L范围内敌敌畏的抑制率与其质量浓度呈良好的线性关系,R2为0.996,检出限为1.4×10-2 mg/L,该生物传感器对敌敌畏具有良好的分析特性。
生物检测技术作为农药检测的前景替代方法,已经成为食品、环境等研究领域中的一种重要检测方法[56]。相比于传统的检测技术,它具有仪器体积小、响应速度快、灵敏度高、选择性和抗干扰性强[57]、可重复多次使用等特点。在对敌敌畏的检测中,生物传感法的分析速度快,准确度高、费用低,大大缩短了检测周期,但生物固化膜的稳定性及其使用寿命有待提升。
3 结 论
随着生活水平提高,人们对植物源性食品的质量安全也愈发重视。由于果蔬和粮食种类多样、农药数量丰富,对敌敌畏在农产品上残留检测方法的深入研究仍是未来发展趋势。检测时应针对不同需求选择合适方法,目前使用最广泛的是色谱法,其灵敏度高,分离效果好,可进行多残留检测,检测结果准确、可靠。如需快速、低成本、现场检测,可考虑光谱法、酶抑制剂法、免疫分析法或者生物传感法。
在学科交叉发展的情况下,植物源性食品中敌敌畏的检测技术已从传统物理分离、化学分析发展到混合体系的生物检测技术,仪器也由大型向便携式发展。生物检测手段相对于传统色谱检测,其主要优点在于简便且成本低,能满足现场检测的大众市场需求。在未来,生物检测技术依旧是发展的重点方向,进一步提高其稳定性与精确度,研发出更多高效可实用的酶、抗原和生物传感器是广大研究者们继续努力的目标。
参 考 文 献
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