【关键词】汽油红外光谱性质
1近红外光谱检测汽油组成原理
待测汽油样品是由烃类化合物所构成的,在850~950nm波长区间包含了芳烃C-H、亚甲基C-H、甲基C-H以及烯烃C-H等基团的近红外三级倍频信息,因为不同基团的吸收峰位以及吸收强度各不一样,当待测汽油样品的组成发生改变的时候,其近红外光谱的特征吸收也随着发生改变。而且近红外光谱特征吸收伴随着馏程变化也有极其明显的改变,也就是不同碳数的组分将会形成不同的近红外光谱。虽然这种改变极其细微,不过运用化学计量学的方法处理光谱数据后,也能获得汽油样品组成改变的信息,为近红外光谱快速检测汽油的详细构成提供了光谱理论基础。所以,可以利用诸如微分、平滑等谱图预处理过程对待测汽油样品的组成数据以及近红外光谱进行合适的处理,并且运用偏最小二乘法进行校正,选取关联信息比较强的光谱区域,通过预测残差平方和选择最佳主因子,从而创建不同组成性质和光谱两者之间的分析校正模型。
2近红外光谱定量分析多元模型介绍
近红外光谱检测剖析方法是由两个要素构成的,首先是稳定、准确地检测汽油样品的吸收或者漫反射光谱谱图的硬件技术,对于选用的光谱仪器的第一要求是要确保长时间的稳定性;其次是采用多元校正方法计算检测结果的软件技术。在近红外光谱剖析过程中,计算机除了用于收集数据、控制仪器,还通过多种多元校正方法对图谱进行解析,也就是创建光谱、组成或者性质之间的校正模型,并且用此模型预测未知汽油样品的性质或者组成。近红外光谱一般是比较宽的几个谱带,尽管已知的一定的基团都具有一定的吸收谱带,不过对于只在结构上存在细小差异的化合物,通常会呈现重叠的谱图,虽然汽油样品的性质存在一定的差别,其光谱图却相当接近。通过采集多波长数据的方式就完全可以充分利用好光谱图提供的信息。多元模型要求很多的建模汽油样品并产生相当多的数据。光谱数据以及浓度数据被写作矩阵的形式以便于对数据进行处理,光谱数据矩阵的每一行代表一个待测汽油样品光谱。浓度数据矩阵包括相应汽油样品的浓度值。此矩阵将被分解为称作因子或者主成分的本征矢量。这种方法的优点是没必要用所有主成分来描绘相应的光谱特性,仅有相关的主成分用来取代原始光谱数据,所以大大减少了数据量。
3近红外光谱剖析的影响因素
近红外光谱作为汽油性质分析检测技术不但简洁迅速,而且经济实用,但是分析检测结果的精准性受到各种因素的影响,例如汽油样品的颗粒度、装填密度和均匀度等,这些物理特性在各定标汽油样品中的差别直接影响汽油样品光谱信息和化学成分信息间的线性关系,从而使定标剖析的精度有很大幅度的下降。在应用过程中,理应在标准的制备样品条件下制备定标以及预测汽油样品,使汽油样品具有标准化的均匀粒度,确保相同的装样条件,减少因为颗粒度以及装填密度所导致的汽油样品制备误差。模型初建过程中对于挑选汽油待测样品、定标汽油样品的数目以及实验软硬件和外部环境条件、实验人员自身具备的素质的互不相同以及实验本身的设计,都将直接或者间接影响定标模型预测的精准度。在选择待测汽油样品的过程中,应该综合考虑待测样品各种成分的含量梯度、分布情况、样品的物理化学特征,以提升定标模型的稳定性,推广模型的实际应用范围。如果标样数量太少,不能充分反映被测汽油样品集的正常自然分布规律。而数量过多则增添了创建定标模型的工作量。如果被测样品的成分含量相关性比较强的话,可以依照相关原则进行筛选,以提升定标的效果和检验的精确性。温度也同样是影响近红外光谱定标精准性的核心因素。研究显示,近红外对温度比较敏感,10-20℃就能够引起吸光度的改变,并且温度影响不呈现规律性。此外,仪器的性能、价格以及在检测分析方面缺乏完整可靠的剖析方法以及质量控制技术标准,也是能够影响检测结果的几种因素。
4近红外光谱分析的误差来源及解决方法
使用OPUS软件进行多元校正能够获得最佳模型,让残差降低到最小程度。尽管如此,用已知模型依旧会形成误差。误差的来源主要有下面几个方面:
(l)汽油样品不均匀:优化混合方法以及研磨方法能够解决这一问题。
(2)实验室误差:建模时所采用组成以及性质参数(如烯烃、苯含量、芳烃以及辛烷值)的真实值都由标准方法测量所得,所创建定量模型的精准度不能够超过标准方法的精准度。这是误差的关键来源。能够通过多次实验的平均值来减少或者避免误差,同时严格依照各种标准方法的检测要求进行剖析,检查试剂、仪器和分析人员的操作步骤等。
(3)仪器噪音影响:检查仪器的设定参数,检测信噪比,或者用标准汽油样品检复性。仪器开启之后,稳定速度很快、时间比较短,可以在开机之后迅速投入使用;对于汽油样品的零散剖析,不必长时间的等待;在光谱采集阶段,采谱速度很快,采集一个汽油样品谱图用时不到20秒。采集到的汽油样品图谱在未经谱图预处理过程的情况下,就可立刻预测到即将出现的结果。从谱图的采集至结果的预测完成,整个过程用时不到一分钟。在汽油样品基体比较稳定的情况下模型基本上不需要进行维护,能够长时间地使用。
(4)近红外光谱预测结果和标准方法检测结果不相符:能够采用不一样的标准方法,检查所用的分析方法是不是符合相关操作规程。5总结
通过对相关中外文献的总结归纳,我们仔细论述了近红外光谱分析技术在汽油性质检测分析过程中的原理,同时对定量分析多元模型的建模做了一个比较系统和完整的阐述。最后,探索了近红外光谱检测汽油性质过程中的影响因素以及误差解决方法等,为近红外光谱技术在石油化工领域的广泛应用提供坚实的理论基础。
参考文献
[1]褚小立,袁洪福,陆婉珍.近红外中光谱预处理及波长选择方法进展与应用[J].化学进展,2004,16(4),528-542
[2]陆婉珍,袁洪福,徐广通.现代近红外光谱分析技术[M].北京:中国石化出版社,2000
关键词:光谱分析法;原理;特点;土壤污染监测
一、光谱分析的基本原理
光是一种电磁波,具有波粒二相性。光的干涉、衍射与偏振等现象显示它的波动性,而光电效应、康普顿效应和黑体辐射等则显示它的粒子性。光的波动性常用三个基本参量,即波长(λ)、频率(ν)和光速(c)来描述,三者的关系是:λν=c,c为光在真空中的传播速率。整个电磁波包括无线电波、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线、γ射线等,各种电磁波谱的波长和频率以及所具有的能量各不相同,而且产生各种谱域电磁波谱的机理也不相同,由此就产生了不同的光谱分析方法。光谱的波长、强度和谱型是光谱分析的三要素,根据特征谱线的波长可进行定性分析,利用光谱的强度与浓度的定量关系可进行定量分析,而根据谱型可了解主要量子跃迁类型和光谱产生的内在规律。
二、光谱分析法的分类和特点
根据电磁波与物质的相互作用不同,光谱法可以分为三种基本类型:吸收光谱法、发射光谱法和散射光谱法。
吸收光谱是物质吸收相应的辐射能而产生的信息,其产生的必要条件是所提供的辐射能量恰好满足该吸收物质两能级间跃迁所需的能量。具有较大能量的γ射线可被原子核吸收,X射线可被原子内层电子吸收,紫外和可见光可以被原子和分子的外层电子吸收,红外光可产生分子的振动光谱,微波和射频可产生转动光谱。所以,根据物质对不同波长的辐射能的吸收,可以建立各种吸收光谱法。总的来说,根据其所在光谱区不同,吸收光谱法可以分为穆斯堡尔谱法、紫外和可见分光光度法、原子吸收光谱分析法、红外分光光度法、顺磁共振法、核磁共振法等。发射光谱可分为三种类型:光致发光、以及化学(生物)发光有关以上发射光谱的特点总结于表1中:
三、光谱分析法在土壤污染监测中的应用
1.光谱分析法用于分析监测土壤中的重金属污染物
测定土壤中镉和锌等重金属通常的方法包括火焰原子吸收光谱法(FAAS),电热原子吸收光谱法(ETAAS),电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)和电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)。在这些方法中,ICP和ETAAS技术是最灵敏的方法,FAAS是最常用的方法之一,因为相对来说,它的分析成本更低。通常的样品消解方法主要是干灰化或者湿法酸加热。有很多加热体系都可以用于样品消解,比如说沙浴、电热板加热和微波加热等。在样品分析中,像湿法消解和干灰化等消解程序是最耗时的步骤。这些程序既费时又耗力,而且很容易引入其它污染物质。采用密闭微波消解时,分析时间大大缩短,试剂用量减少,引入污染的风险减小,而且能够很好地避免挥发性待测物的损失。
值得注意的是土壤的化学和物理结构极其复杂,所以测定其中的痕量元素比较困难。土壤中各种高含量的难溶硅酸盐物质给溶样和随后的测定工作带来很大的不便。用FAAS和ICP-OES分析土样最大的困难就是溶样问题。很多种酸都有被尝试用来消解土壤样品,比如说HNO3、HClO4、HF、HCl等,消解时间通常很长,有时甚至需要30个小时之多。幸运的是,土壤中的很多元素(比如锌、铅、锰等)没有与硅酸盐结合在一起或是结合力很弱,这样的话只要普通的酸(不需要HF)就足以将这些元素从土壤中萃取出来。通常萃取过程需要超声]或者微波辅助。同时也需要指出,消解土壤的方法并不是一成不变的,对于不同元素的测定可以采用不同的消解方法,甚至并不需要将样品完全溶解。
2.光谱分析法用于分析监测土壤中的有机污染物
有机污染物作为土壤污染物的重要组成部分,对其进行实时监测正越来越受到人们的关注。近年来,随着光谱分析技术的提高以及一些联用技术的不断成熟与进步,将大大拓展光谱分析法在土壤中有机污染物分析监测中的应用研究,许多科研工作者已做了相关研究,取得了一定的成果。特别是杨仁杰等提出了快速直接对土壤中PAHs污染物进行荧光检测的方法-激光诱导荧光光谱技术,以多环芳烃蒽为研究对象,实验证明利用激光诱导荧光光谱技术快速检测土壤中蒽污染物具有可行性。采用AvaSpec-2048TEC型热电制冷式光纤光谱仪对土壤中的蒽进行直接测量,研究结果表明:当土壤中蒽浓度在一定范围内时,其诱导荧光强度与蒽的浓度呈线性关系(其相关系数R为0.929),这就表明了激光诱导荧光光谱技术直接对土壤中多环芳烃污染物测量是可行的。该光谱分析技术可无需对样品进行复杂预处理即可进行测试,这对实现土壤中PAH污染物实时、在线、现场测量具有重要的意义。
参考文献:
[1]高焱.杨海霞.于卫荣.氢化物发生原子荧光光谱法同时测定海洋沉积物中的砷和汞.海洋水产研究.26(4).2005.53-58
[2]刘希光.于华华.赵增芹等.微波消解-氢化物发生-原子荧光法测定海蜇中的痕量砷和硒.光谱学与光谱分析.25(6).2005.964-967
关键词:视唱练耳首调视唱识谱教学心理学
识谱是系统地接受专业音乐教育的起步,它作为音乐基础课程——视唱练耳教学最基本的内容之一,因其形式简单,内容浅显,而极易使人们忽略对其教学方法和原理的探究。随着近年来专业音乐教育的普及化和视唱教学内容与方法的多样化,在教学中暴露出来的问题越来越多,这迫使我们不得不对其进行反思:为什么在世界各地被广泛接受和采用的五线谱在我们的课堂教学中显得非常困难,仅仅识谱一项内容就占去视唱练耳教学的很多时间?为什么这样一个科学的记谱体系使很多老师教得费力、学生学得困难?更可悲的是,不少人花费很多时间和精力在课堂上学了五线谱后,在工作中却不能学以致用,甚至弃之不用,而改用简谱?自2000年教育部颁布新的音乐基础教育教学大纲,规定中小学音乐课的五线谱教学用首调唱名法后,高等音乐师范类视唱的首调教学方兴未艾,但教学效果却不能尽如人意,这其中的原因到底在哪里?经过反思后我们发现,在视唱练耳教学中很多司空见惯的问题并非我们想象的那样简单,许多问题都有其深层的原因,这就需要我们以认真的态度、科学的精神去研究、去探讨,对教学中遇到的问题能有一个合理的解释,并找到相应的解决办法,而不是对问题熟视无睹,见怪不怪,或是头痛医头、脚痛医脚,根据表象凭经验想当然地去处理,结果往往事与愿违。针对教学中的这些现象和问题,本文试图从人们在识谱过程中的心理反应的角度进行分析与研究,期望寻求这些问题的原因和解决办法。下文所提的首调唱名法,除了特别说明外,均是指五线谱的首调唱名法。
一、视唱识谱的心理分析
从心理学的角度看,视唱识谱与人们对字符的认知学习方式相类似,有研究认为:“视唱的心理反应过程与识字相似,即把书写符号通过记忆转换成声音。有所不同的是文字转换的声音是符号化了的声音(语言),每个声音都是经过约定与相应的概念联系在一起的。有效的识字过程分为两个心理反应阶段:第一阶段,根据文字符号读(或默读)出声音;第二阶段,把读出的声音与所指的概念相联系,予以理解。正确的视唱过程也分两个心理反应阶段:第一阶段,根据乐谱符号唱(或默唱)出唱名;第二阶段,把这个唱名与特定的频率与时间联系起来,即唱出这个唱名的音高与音值。”①这就是说第一阶段主要是对音符(根据其形状或位置)读音的认知;第二阶段则涉及到唱名的绝对音高与相对音高,引出固定与首调唱名的思维定势以及内心听觉和音准等问题。
对于识谱教学而言,不同谱式和不同唱名法在这两个阶段的教学侧重点各有不同,本文主要探讨的是首调唱名法的识谱心理,即根据音符唱出唱名,也就是人们对字符(音符)认知学习时的心理反应,通过对这一过程的研究,了解识谱的心理机制,并在教学中制定相应措施,加强视唱识谱第一阶段教学的针对性和有效性,改善教学效果。
认知心理学认为,对字符(音符)的认知学习是一个对字符信息的加工贮存过程,“个体如果真正要认识某一单字,学到后并将之贮存,以备以后随时检索出来应用,他必须在短期记忆阶段,将该单字的字形、字音、字义分别编为形码(visualcode)、声码(acousticcode)与意码(semanticcode)。经过编码之后的讯息,始可贮存。”②也就是说,对字符的认知,就是对字符信息的编码贮存。
根据这一理论,对我国目前使用最广泛的两种谱式——简谱与五线谱的识谱特点进行分析与比较后可发现:简谱以7个阿拉伯数字作为调式音列的各个音符标记,由于其外形简单,特征明晰,并常用于人们日常的生活实践,便于识别;加之每个音符都有一个固定不变的唱名,形码与声码完全对应,便于记认。这里不论其在音乐实践中的使用价值,仅从对乐谱中音符的认知学习的角度讲,简谱极具优势,这也是它得以推广的主要原因之一。但简谱在视唱过程中,其音符的音高概念不是通过直观距离所进行的记忆转换,而是靠标记符号抽象化的音高想象完成记忆转换。这一点恰恰是五线谱的独特优势,它与简谱的识谱原理完全不同,它不是根据音符的形状来确定读音,而是根据音符在五线谱中不同位置来确定其读音的。也就是说,五线谱通过线间高低关系形象地呈现出不同音高之间的距离关系,人们在视唱过程中是通过视觉对音符高低的距离与旋律线条运动走向的直观形象完成音高记忆转换的。这一点特别是在器乐视奏和演奏中对快速运动的音符直观形象的把握非常重要,这也是五线谱之所以在专业音乐教育中占据重要地位的根本原因之一。但对视唱而言,由于同一个音符在五线谱中不同的位置,其读音就不同。这使得它的形码与声码不能对应,不似简谱的音符与唱名那样具有互为唯一的特性,五线谱的七个唱名(声码)中每个声码都代表了数个处在不同位置的音符。举例说比如唱名“la”,它分别代表了高音谱表的第二间、下加二线与上加一线等位置的音符,如果使用大谱表位置还会更多。这种一个唱名代表多个音符位置的情况,使得惯于根据字符形状读音的人在一开始学习五线谱时会感到茫然和困惑,因此在学习五线谱时,首先必须突破原有识谱学习的思维定势,确立一种新的字符认知学习模式。
五线谱的学习又分为固定唱名法与首调唱名法:固定唱名法的识谱是利用五线谱的五条线作为坐标,根据符头所在谱表的空间位置来确定音符的唱名读音的。而首调唱名法的识谱既不完全同于简谱对音符进行形、声编码的认知方式,也与固定唱名法根据音符的空间位置确定唱名有所区别,它是根据不同的调高“先确定第一个音符的唱名,然后就根据第一个音符与第二个音符相距的空间距离(线和间的数目)确定第二个、第三个等后续音符的唱名读音。”③也即是说,所有同类调式,它在不同调高的内部音程结构是相同的,这一点与简谱具有一致性。由此可见,首调唱名法的认知方式是融合简谱的认知原理,并利用线位坐标,根据音符之间的空间距离和音高走向来进行的。“传统的视唱教学忽视了这个关键点,不是去培养学生依据两个音符相距的空间距离确定第二个音符唱名读音的思维方法,而是把固定唱名法根据空间位置确定唱名的思维方法移用到首调唱名法上,要让学生背出七种唱名位置……使得首调唱名法在视唱第一心理反应阶段的学习要花费七倍于固定唱名法的时间。”④这也是当前视唱练耳课中首调视唱教学最大的误区之一。很多人没有注意到五线谱的固定唱名法与首调唱名法识谱学习时认知心理反应的不同,而是想当然地将一种唱名法学习的思维和方法套用到另一种认知心理与学习方式迥异的唱名法的学习中,这种文不对题的教与学只会使得教学事倍功半。
二、首调视唱教学的科学对策
通过以上分析可知,首调视唱识谱既不同于简谱对音符按形、声编码后的认记,也不同于五线谱固定唱名法对音符所处的空间位置的识记,它是根据不同的调来确定音符在五线谱中相应的唱名位置的,它的难点在于对具有流动性的唱名位置的辨认。传统首调识谱教学片面强调对不同调唱名位置的死记硬背,试图通过大量的视唱练习,来强化对各调唱名位置的熟记。但这种教学方式所付出的代价是高昂的:它不但耗费了视唱练耳有限的教学时间,使视唱练耳课的主要精力与时间只是仅仅用来做简单的识谱训练,从而忽略了其他重要的,如对听觉能力的训练、音乐潜能的开发、对音乐审美的培养和对音乐风格的理解等许多内容;其更消极的是,在于它没有教会学生对首调识谱原理的理解以及掌握正确的学习方法,其结果影响的不仅是在校学生的学习,而且殃及到他们走向社会后所教的许许多多的学生。
因此,依照首调视唱识谱的认知规律,确立新的教学理念,改革首调视唱教学方法与内容,提高学习效率,是视唱练耳课教学的迫切需要。
(一)树立新的学习观念,突出首调识谱特点
首调视唱从识谱的角度看,其自身的特点是很突出的:调性一旦被确定后,主音位置即明确,而各音即以此为基准,其在谱表上所处的位置、音的相对关系和音高的进行方向等各种抽象概念,均可形象而具体地展示于五线谱上,使人一目了然。这是五线谱首调视唱的特点所在,所以首调视唱的教学都应该针对这一特点进行组织与安排。
首先,要使学生建立主音可动的观念,习惯唱名位置的移动,在教学安排和教材编写时不宜将为固定唱名视唱编写的教材一字不改地用于首调视唱教学,要避免按调号划单元分阶段、依次学习不同唱名位置的教学安排,必须打破五线谱学习中对唱名进行固定位置认记训练的僵化观念,而代之树立以音的相对关系和音高进行方向为核心依据的识谱观。
其次,在教学实践上,应有一个与之配套的措施与可行的方案,包括选用专门的首调视唱教材、科学的教学方法、合理的教学进度以及符合首调视唱规律与特点的教学安排等。这里想特别介绍一种行之有效的首调视唱识谱辅助练习方法,那就是先从一线谱开始训练。一线谱虽然只有三个音位,但它在为学生建立流动do的概念和根据音符空间距离确定唱名读音概念的过程中,具有典型意义和基础性的作用。在此基础上,经过二线、三线谱的训练后,逐渐过渡到五线谱,以此来培养学生根据两个音在线、间中的空间距离和音高走向确定唱名读音的思维方式。这种利用线谱递增、结合主音音高位置可动式的二元综合训练,是理解、学习首调唱名法识谱的真谛的方法之一。因为从历史发展看,五线谱其实是由一线谱逐步发展而成的,而且早期是采用首调唱法的,我们的教学不能忽视这一历史传统和这一有效的训练手段。
(二)转换认知学习策略,改变识谱的机械学习模式
整个视唱练耳学习都是属于有意义的学习,识谱也不例外,但传统的视唱教学把识谱理解为机械学习,在教学中枉顾其认知原理和各种内在的有机联系,片面强调勤学“苦练”,期望通过大量的机械练习,来强化学生对各调唱名位置的记认,但这种教学方式相对于其投入来讲收效甚微。如果转变一下学习策略,给识谱学习赋予某种意义,将机械练习变为有意义的学习,效果将会大为改观。正如认知主义心理学认为:“如果学习材料本身具有逻辑意义,而学习者认知结构中又具备适当的知识基础,那么这种学习材料对于学习者就构成了潜在意义。”⑤在视唱中两个以上的音的唱名连读,可组成“唱名词汇”,在首调视唱中,同一唱名词汇在各个调内,其音程距离是相同的,而记录在乐谱上,它们的空间距离也是相同的。比如do—mi都是在相邻的线(或间)上,do—sol是在相同隔的线(或间)上,无论调高怎样改变,这一距离是衡定不变的。这种相同唱名词汇与谱面音符之间空间距离的严格对应,是具有逻辑意义的。如果使学生能明白这一道理,在较短时间内掌握其规律,对提高学习效率会有很大促进。
(三)科学安排教学,扩大迁移效应
现代认知心理学认为:“一切新的有意义的学习都是在原有的学习基础上产生的,不受学习者原有认知结构影响的有意义学习是不存在的。也就是说,一切有意义的学习必须包括迁移。”⑥视唱的学习是属于有意义的学习,这就是说在视唱的学习中也必然存在着迁移现象。所谓迁移,是指一种学习对另一种学习的影响,“凡一种学习对另一种学习起促进作用,都叫正迁移,凡一种学习对另一种学习起干扰或抑制作用,都叫负迁移。”⑦在视唱练耳教学中老师都有这样的体会:在听觉训练时,学生的首调观念越强,进行固定听觉训练就越困难;或是对有固定唱名基础的学生进行首调识谱训练时,往往会发现其原有的水平和能力与新学内容掌握的速度成反比,其原因就在于虽然同是五线谱,但由于两种认知原理的不同,原有的识谱经验对后继学习产生负迁移。由此可见,迁移在视唱练耳教学中起着举足轻重的作用,所以我们在教学中,应该尽量设法利用迁移的效应,使前期的学习对后继的学习产生促进作用,而不是起反作用。因此,在教学安排上,笔者认为:
1.从识谱的角度讲,固定唱名法与首调唱名法在初级阶段不宜混学,否则其中一种唱法的学习思维定势会影响另一种,当然从本质上讲这两者并不对立,也不相互排斥,因为固定唱名的视唱到后期学习不同位置的C谱表时,其原理与首调视唱并无二致,只是在初级阶段二者的机理不同,宜熟练掌握一种后再学另一种,以免同时学习时互相干扰产生负迁移。
2.在教学内容上当对一种唱名位置理解并基本掌握后,适时进行多种唱名位置的练习,针对不同的教学对象,引导其以“空间距离”或“唱名词汇”等为依据,积极建立新的、有效的学习思维方式,使学生能触类旁通与融会贯通,做到举一反三,最大限度地发挥迁移对学习的促进作用,提高识谱的学习效率。
随着我国基础教育的改革和新课标的实施,在高等音乐师范类教学的视唱练耳课中,首调已成为主要的视唱教学模式。但不少视唱课的教学中存在着“新瓶装旧酒”的情况,即用固定唱名法的教学模式和教材进行首调视唱的教学,学生既不了解两种唱名法的学习机理,也未掌握首调的学习方法,这影响的不仅仅是在校学生们的学习效果,更重要的是这些未来教师们的教学理念和教学方法,从某种意义上讲,它所贻误的不止是一代人。这一发生在视唱练耳课堂上的现象已引起了不少专家和学者的警惕与关注,并撰文对其进行分析,提出对策。本文作为个人在教学实践中学习运用教育心理学的体会,希望能对首调视唱的教学研究有所促进,并得到同行、专家们的指正,以期共同为视唱练耳学科的建设与发展尽力。
注释:
①③④张羡声、吴华山、龙玉兰、肆口“一种符合中国学校音乐教育实际的视唱教学法”《中小学音乐教育》2004年第8期
长期以来,传统的分析化学只是一门技术科学,它以工业生产和科学实验必不可少的测试手段和方法发挥着它在化学科学中的特殊作用。但是,随着社会的进步,尤其是现代科技的快速发展,人们越来越注意到,分析化学必须更深更广地拓宽它的理论基础才能适应新的发展。这种理论基础不仅限于化学、物理、生物等基础学科,而且涉及一系列交叉、综合和新兴技术学科,如材料、信息、能源及环保、生物工程等。事实证明,几乎这些学科的每一次重大科技成果的引入都对分析化学起到了重大影响。正因如此,分析化学在近五十年来得到了空前发展[1]。例如20世纪40年代中期电子学中光电倍增管的出现促成了原子发射光谱、红外光谱、紫外及可见光谱、X射线荧光光谱等一系列光谱分析的发展;50年代原子物理学的发展使得原子吸收及原子荧光光谱开始兴起;60年代等离子体-傅立叶变换和激光技术的引入出现了电感耦合等离子体-原子发射光谱和傅立叶变换-红外光谱、激光光谱等一系列光谱分析技术,使得光谱分析进入了崭新的阶段。在电分析化学方面,1922年极谱法问世,60年代离子选择性电极、酶电极和微电极伏安技术相继出现并快速发展,以及80年展起来的化学修饰电极、光谱电化学、色谱电化学使得电分析化学从宏观深入到微观,实现了新功能电极体系的分子设计及分子生物学研究。此外,50年代,Martin因发明气相色谱而获得诺贝尔化学奖,60年展的色-质联用技术,70年代崛起的高效液相色谱,80年代出现的超临界流体色谱及90年代急剧发展起来的毛细管区域电泳等都使色谱分析领域充满活力,飞速发展。70年代末到80年代初发展起来的串联质谱,液相色谱-质谱联用技术及软电离技术则使得质谱分析的应用范围扩大到了生物分子并在生命科学研究中发挥了重要作用[3]。
2分析化学的发展趋势
分析化学总是在寻求更灵、更好、更准、更快、更便捷的发展方向和目标,它被分析工作者慨括为“3S+2A”(3S:sensitivity,selectivityandspeediness,2A:accuracyandautomatics)的目标。从分析化学的发展历史和认识论的角度来看,随着科技的进步,分析化学学科必将进一步吸收现代科技进步的最新成果,继续不断发展,并在生产生活和社会实践中扮演更为重要的角色[4,5]。通过和其它相关学科的广泛联系,双向互动,分化交叉,传统界限分明的分支学科的局面最终将会被彻底打破,分析化学最终将会逐渐发展成为一门在社会生产生活中广泛应用的综合学科。有人甚至认为,分析化学将会逐渐发展成为一门一级学科———分析科学或信息科学。
2.1分析化学进一步向高灵敏度方向发展
高灵敏度是各种分析方法长期以来所追求的目标,也是人类对世界认识不断深入的永恒需求。当代分析方法灵敏度的显著提高大都归功于其它学科新技术的引入。例如激光技术的引入,促进了诸如激光共振电离光谱、激光拉曼光谱、激光诱导荧光光谱、激光光热光谱、激光光声光谱和激光质谱的开展,大大提高的灵敏度使得检测单个原子或单个分子成为可能。又如多元配合物、有机显色剂和各种增效试剂的研究与应用,使得吸收光谱、荧光光谱、发光光谱等分析方法的灵敏度和分析性能得到大幅度地提高。可以预见的是,以后其它新技术的发展也必将会进一步推动分析仪器、分析方法的改进和灵敏度的进一步提高。
2.2解决复杂物质和生命体系物质的分离和分析
迄今,人们所认识的化合物已超过1000万种,而且新的化合物仍在快速增长,因而复杂体系的分离和测定已成为分析化学所面临的艰巨任务。此外,自上世纪70年代以来,世界各发达国家都开始将生命科学及其有关的生物工程列为科学研究中最优先发展的领域,欧、美、日等地区和国家启动的具有战略意义的宏大研究规划“尤利卡计划”,“人类基因图”及“人体研究新前沿”中,生物大分子的分离、分析研究都占据重要的位置。21世纪初,人类已经开始进入“后基因组时代”,生命科学领域的复杂组分,尤其是与人类遗传相关的复杂大分子的分离分析开始成为人类一大挑战。由液相色谱、气相色谱、超临界流体色谱和毛细管电泳等所组成的色谱学是现代分离、分析的主要组成部分并获得了很快的发展。目前,以色谱、光谱和质谱技术为基础所开展的各种联用、接口及样品引入技术逐渐成为当今分析化学发展中的热点之一。可以相信,其它相关新技术的发展和引入必将进一步为解决这些复杂体系中物质的分离、分析作出贡献。
2.3分析仪器的微型化及微环境的表征与测定
从简单到复杂,从宏观到微观是人类认识的基本逻辑规律。分析仪器的微型化及微环境分析是现代分析化学认识自然从宏观到微观的延伸。现代电子学、光学、谱学和工程学的微型化发展,使得分析化学深入微观世界的进程得以实现。目前,电子显微技术、电子探针X射线微量分析、激光微探针质谱等微束技术已成为进行微区分析的重要手段。在表面分析方面,电子能谱、次级离子质谱、脉冲激光原子探针等的发展,已经可检测和表征一个单原子层,因而在材料科学、催化剂、生物学、物理学和理论化学研究中占据了重要的位置。现代科技的快速发展必将继续在包括综合多学科优势的微型分析,例如微流控芯片等领域作出重大突破[6]。
2.4实现形态、状态分析及非破坏性检测及遥测
同一元素的不同价态和所生成的不同的有机化合物分子的不同形态在不同环境,如生物体内性质和功能都可能存在极大的差异,在材料科学中物质的晶态、结合态更是影响材料性能的重要因素。此外,在生产流程或生命过程等特殊情况下,对于难于取样的原位分析是十分重要的。利用遥感测定方法,如激光雷达、激光散射和共振荧光、傅里叶变换红外光谱等进行几十公里距离内的气体、某些金属的原子和分子、飞机尾气组成,炼油厂周围大气组成的测定等等,这些也都将是分析化学学科发展的方向之一。
2.5实现分析操作的自动化、智能化
微电子工业、大规模集成电路、微处理器和微型计算机的发展,使分析化学和其它科学与技术一样开始逐渐进入自动化和智能化的阶段。在分析化学中,利用微处理智能系统进行实验设计和和控制,在程序控制下结合相关技术就可以实现自动采样、预处理、分析测试、信号输出和数据处理及分析等过程。这样不仅大大减轻人工操作的工作量,提高工作效率和准确度,还可以实现实时条件下的原位、在线智能监控,这必将对分析化学的发展带来十分深远的影响,而且随着电子技术和控制技术等相关学科的深入发展也将开创分析化学的全新局面。
2.6实现有关人类生活质量和安全的有效保障
随着人类对物质世界的利用和改造能力的逐渐提高,人类逐渐从只为满足生存的基本需要发展到要求满足日益增长的生活质量的需要,进而在保证生存安全的前提下提高生活质量,创造和谐世界。现代科技的快速发展必将推动分析化学更加全面有效的发挥其监测和保障作用。一方面,利用分析化学的手段进行环境中化学过程的跟踪、分析、模拟、预测,可以合理的评价人类各方面的生产、生活活动对环境的影响,为人类生存提供安全的外部环境,创建环境友好型社会;另一方面,要积极应用各种科技发展新成果,发展和完善现代仪器分析新技术、新方法,实现对关乎人类健康的食品、药品、生存环境等各个环节进行全方位的无缝监控和预警,以保证人类的健康和安全。
3分析化学对现代社会的影响及哲学思考
1实验部分
采用GaussView看图软件,构建了萘夫西林分子结构模型,采用DFT理论的B3LYP方法,在6-31+G(d)基组水平上,进行了结构优化计算。在优化结构的基础上,采用频率分析方法,进行了频率分析。表明所有振动频率全部为正,表明其计算结果是可以相信的。全部计算工作在Gaussian09W程序及PC机上完成。图1显示了萘夫西林(C21H22N2O5S)分子结构和原子编号。
2结果与讨论
2.1分子的几何结构分析用Gaussian09W程序在B3LYP/6-31+G(d)基组上进行优化,模拟得到了萘夫西林分子的键长,键角等数据。正常的C-O单键的键长((1.20~1.43)×10-10m),C-C单键(1.54×10-10m左右),C=O双键(1.20×10-10m左右),C-N单键(1.48×10-10m),C-S单键(1.82×10-10m),O-H(0.98×10-10m),N-H(1.01×10-10m)表中列出了优化后的分子部分键长数据表明:除C4-C1的键长偏小一点外,其他键长均属于正常范围。表中列出的重要键角数据表明,稠杂环的大环(N1-C2-S6-C7-C3原子组成的五元杂环)和小环(N1-C2-C5-C4原子组成的四元杂环)。
2.2红外吸收光谱物质的IR光谱是其分子骨架结构的反映,图2谱图中的吸收峰与分子中各基团振动形式相对应。使用DFT/B3LYP/6-31+G(d)软件模拟显示,萘夫西林药物分子在指纹区616cm-1(弱,2S,5R,6R结构)处存在红外吸收峰,在特征区1318cm-1(中,甲基C-H的弯曲振动吸收峰),1516cm-1(弱,萘环上的C-C骨架振动吸收峰),1777cm-1(强,羰基C=O键伸缩振动吸收峰),3064cm-1(弱,萘环上的C-H伸缩振动吸收峰),3586cm-1(弱,萘酰胺基上的N-H伸缩振动吸收峰),3676cm-1(弱,羧基上的羟基O-H的伸缩振动吸收峰)处显示较强的IR吸收峰,这些峰与萘夫西林小分子的实验IR谱(分别在608,1305,1556,1787,3101,3576,3656cm-1处有红外吸收峰)基本是吻合的。
2.3拉曼吸收光谱分子的拉曼吸收效应起源于分子振动与转动,从拉曼吸收光谱中可得到与分子振动互补的信息。采用DFT/B3LYP方法,在6-31+G(d)基组上进行分子优化和频率分析,得到7个拉曼吸收特征峰(如图3)。我们对分子的7个特征峰的分子振-转吸收模式进行了归属指认。萘夫西林((2S,5R,6R)-6-(2-乙氧基-1-萘酰氨基)-3,3-二甲基-7-羰基-4-硫杂-1-氮杂-二环[3.2.0]庚烷-2-羧酸)是一个稠杂环的化合物,也可以看作是萘环的β位上氢原子被一个乙氧基所取代,α位上的氢原子被一个由酰胺基和稠杂环构成的支链(青霉素母核-6-氨基青霉烷酸(6-APA))所取代而形成的双取代萘类分子。图3是理论模拟萘夫西林分子的拉曼散射谱特征吸收峰,其主要位于3676cm-1(弱,羧基上的游离羟基O-H的伸缩振动),3586cm-1(弱,萘酰胺基上的N-H伸缩振动),3064cm-1(强,二取代萘环上的C-H对称呼吸振动),1777cm-1(弱,羰基C=O键伸缩振动),1516cm-1(中,萘环上的C-C骨架振动),1318cm-1(中,甲基C-H的弯曲振动),616cm-1(弱,环内振动)。对比实验和理论拉曼吸收光谱,它们的拉曼吸收峰基本是吻合的。
2.4紫外吸收光谱采用TDDFT/B3LYP/6-31+G(d)理论方法,模拟显示了萘夫西林分子在247nm(强吸收)处有强的紫外吸收峰,这是源于电子从最高占据轨道(HOMO)跃迁到最低空轨道(LUMO)所显示的吸收峰,在367nm(弱吸收)处有弱的紫外吸收峰,这是源于电子从次高占据轨道(HOMO-1)跃迁到最低空轨道(LUMO)所显示的峰。这与其标准图谱显示萘夫西林分子在247.5nm和357.5nm处有较强的紫外吸收峰基本是相吻合(见图4)。
2.5核磁共振光谱用TMSB3LYP/6-311+G(2d,p)GIAO的方法理论模拟了萘夫西林分子的氢核磁共振谱(见图5所示)。其萘环上六个氢(弱,7.2189×10-6),乙氧基上的CH2(弱,3.5814,3.9179×10-6);CH3(中,1.3285,1.3567,0.7867×10-6);酰胺键上的氢(弱,5.0855×10-6),稠杂环6号位上的H(弱,4.2169×10-6),5号位上的H(5.2675×10-6),与3号位相连的2个CH3(强,1.5213,1.2911,1.1997,1.2928,1.2697,1.1578×10-6)。这些吸收峰较好地与其核磁共振实验吸收峰值吻合起来,验证了模拟计算的准确性。
2.6偶极矩和原子的自然电荷分子的偶极矩是衡量其分子极性的重要物理量。采用Gaussian09W,我们计算得到标题分子的偶极矩为5.5418Debye,这表明萘夫西林的极性比较大,血药浓度也较低,通过肌肉注射萘夫西林的血药浓度高于口服,但是仍然比较低。血浆蛋白结合率高,胆汁中的药的浓度高于血药浓度,所以尿液排泄量少,主要经胆汁排泄排出。从文献上查到的疏水参数计算参考值(logP)为2.9,这可能是因为萘夫西林的羧基的存在,增大了萘夫西林的亲水性和溶解度。原子的自然电荷值是研究其化学活性点位及确定亲核或亲电特性强弱的一种有效方法。采用B3LYP/6-31+G(d)基组,我们分析了萘夫西林分子的自然键轨道值(NBO)。结果显示电荷最正的是羧基上的碳原子(8C,0.831e);其次为β-内酰胺环上的羰基上的碳原子(4C,0.711e);第三为酰胺键上的碳原子(15C,0.703e);第四为酰胺键上的氢原子(20H,0.433e),电荷最负的为羧基上的羟基氧(14O,-0.708e),其次为酰胺键上的氮原子(10N,-0.697e);第三为酰胺键上的氧原子(16O,-0.687e);第四为β-内酰胺环上的羰基上的氧原子(9O,-0.686e)。所以β-内酰胺环及与其相连的酰胺键(-CO-NH-)上的原子很可能是其发挥药理和药理活性的亲电和亲核反应中心。这也符合了青霉素类抗生素的药理是由于β-内酰胺类作用于细菌的细胞壁而产生的。
3结论
中药指纹图谱是基于中药成分的多样性和复杂性建立起来的一种质量控制方法。传统的指纹图谱构建方式侧重的是提取尽可能多的成分,并实现有效分离,缺点是与药理效应没有建立必要联系。中药谱效关系学是近几年发展起来的将指纹图谱与药效结合起来考察中药内在质量及其成分与药理活性间关系的新方法[3],是在中医药理论现代研究的基础上,以中药指纹图谱为基础,以效应学为主要内容,应用生物信息学方法,建立中药指纹图谱与中药疗效关系的一门学科[4]。本研究以不同梯度极性溶媒提取广藿香,分别进行药理实验,在最强药理效应的溶媒提取物基础上,构建了其抑制肠推进的HPLC药效指纹图谱,并在构建的广藿香抑制肠推进药效指纹图谱基础上,采用灰色关联法分析了其谱效关系。
1仪器与试药
戴安高效液相色谱仪(U3000),广藿香药材购自广州致信中药饮片有限公司、广东天城中药饮片有限公司、广东省药材公司中药饮片厂,经鉴定为唇形科刺蕊草属植物广藿香Pogostemoncablin(Blanco)Benth.。液相用甲醇、乙腈均为色谱级,磷酸、冰醋酸为市售分析纯。
SPF级NIH小鼠18~20g,雌雄各半,由南方医科大学实验动物中心提供(合格证号:SCXK粤2006-0015)。
2方法与结果
2.1广藿香抑制肠推进药效指纹图谱的构建
2.1.1最佳提取溶媒筛选
2.1.1.1溶剂极性选择在文献研究确认广藿香抑制胃肠作用为水溶性成分和溶解性预实验基础上,参照溶剂极性表,选定梯度极性(溶剂)为:4.3(乙酸乙酯)、5.4(丙酮)、6.6(甲醇)和10.2(水)。
2.1.1.2药理实验供试液制备称取广藿香药材100g,置蒸馏烧瓶中,加适量水,以水蒸汽蒸馏法蒸馏5h,趁热以滤布滤过,浓缩,90℃干燥,得干浸膏。以相应溶剂超声溶解,以滤纸滤过,浓缩,干燥,以水溶解(或混悬),即得。
2.1.1.3肠推进实验NIH小鼠100只,按体重随机分为极性4.3、5.4、6.6、10.2和阴性对照5组,每组各20只,雌雄各半,给药前禁食24h,但不禁饮。灌胃给药0.1mL/10g,剂量在预实验基础上建立,阴性对照组给予等量生理盐水,给药后20min灌胃给予墨水0.4mL/只,20min后脱椎处死,测量胃喷门到墨水最前沿长度。
2.1.1.4实验结果与阴性对照比较,极性6.6和10.2提取物均表现出抑制肠推进作用,组间比较采用t检验,极性6.6组差异有统计学意义(P<0.05)。决定选取甲醇提取液为药效指纹图谱用供试液。见表1。
表1广藿香不同极性去油水提取物对小鼠肠推进功能实验结果
注:与阴性组比较,*P<0.05;“-”表示无数据
2.1.2HPLC指纹图谱建立
2.1.2.1色谱条件C18色谱柱(250mm×4.6mm,5μm),柱温30℃,流速0.6mL/min,进样体积20μL,检测波长333nm,流动相:乙腈-0.1%磷酸溶液,梯度洗脱条件见表2。
表2HPLC指纹图谱梯度洗脱条件
2.1.2.2供试品溶液制备称取广藿香水提物干浸膏适量,加入甲醇超声使溶解至10mL容量瓶中,0.45μm微孔滤膜滤过。
2.1.2.3精密度试验取供试品,在上述色谱条件下连续进样6次,记录HPLC指纹图谱,采用国家药典委员会《中药色谱指纹图谱相似度评价系统》(2004年版)计算相似度,均大于0.96,说明精密度良好。
2.1.2.4稳定性试验取同一供试品溶液,分别在0、4、8、12、16、24h检测。结果表明,各色谱峰相对保留时间和峰面积比值基本没有变化,RSD<3%,说明供试品溶液在24h内稳定。
2.1.2.5重现性试验平行取样5份,按上述方法,记录HPLC指纹图谱,计算相似度,均大于0.94,说明方法重现性良好。
2.1.2.6供试品溶液测定取10批供试品溶液各20μL,分别按上述色谱条件检测,在333nm下记录0~159min的色谱图。见图1。
图110批广藿香水提物HPLC指纹图谱(S1~10为不同批号的样品)
2.1.2.7药效指纹图谱建立与共有峰定性分析在“2.1.2.6”结果基础上,利用上述软件对指纹图谱进行匹配分析,按照中位数法建立抑制肠推进药效指纹图谱,共有18个特征峰,利用上述软件确定18个共有峰,均以3、10、13~16号峰为主要特征指纹峰。以软件计算相似度,结果表明相似度较高。见图2。
2.1.2.8相似度分析以夹角余弦法计算相似度,10批样品指纹图谱与对照指纹图谱相比,相似度均大于0.81,分别为0.880、0.881、0.881、0.878、0.910、0.958、0.927、0.927、0.936、0.817,表明采用此方法所建立的药效指纹图谱具有较好的代表性。
2.2谱效关系的灰色关联度分析
2.2.1样品药理效应值测定
取健康小鼠110只,雌雄各半,随机分成11组,每组10只。按“2.1.2.2”项下方法制备各样品供试品溶液,按“2.1.1.3”项下方法实验。组间比较采用t检验,结果见表3。
表310批广藿香水提物对NIH小鼠肠推进的影响(n=10)
注:与空白组比较,*P<0.05;“-”表示无数据
2.2.2原始数据处理
以均值化处理方式将各原始数列转换为均值化数列。
2.2.3求绝对差序列
以药理效应值列为参考数列(Yo(m)),样品列为比较数列(Yi(m)),按公式计算绝对差数列(oi(m)),其中oi(m)=丨Yo(m)-Yi(m)丨。
2.2.4求关联系数
关联系数反映2个被比较序列的靠近程度。比较序列(Yi(m))与参考序列(Yo(m))的关联系数按公式计算:Koi=(min+ρmax)/(oi(m)+ρmax)(分辩系数取ρ=0.2)。
2.2.5求关联度
各类关联系数以平均值法求得,表4结果显示,各成分(P)关联度从大到小,顺序为:P14>P13>P5>P12>P10>P8>P11>P9>P16>P18>P1>P6>P2>P17>P15>P7>P4>P3。取0.65为高度关联限定值,P5、P10、P12、P13、P14号峰所对应的化学成分与抑制肠推进作用高度关联。
3讨论
3.1药效指纹图谱构建
一个中药往往有多种药理作用,对应可能有多种有效成分群,在建立指纹图谱时,应分别选择对各自有效成分群有最佳溶解能力的溶剂去溶解,从而,每一药理作用都会得到自己的指纹图谱—可称之为药效指纹图谱。该中药所有药理作用的药效指纹图谱共同构成一个指纹图谱群,可称之为该中药的全药效指纹图谱(wholepharmacodynamicfingerprints,WPF)。这可以更好地代表该中药的临床疗效,对解决中药的质量标准与临床疗效之间脱钩的问题有重要意义。可见,药效指纹图谱的构建关键是以药理实验筛选出对相应有效成分群有最佳提取能力的溶媒。
已有研究证实广藿香抑制胃肠蠕动主要取决于水溶性成分[2,5-6],故该项药效指纹图谱构建关键是筛选出对水溶性成分中有效成分群有最佳提取能力的溶媒。预实验中,极性3.5以下溶剂几乎没有溶解能力。常见溶剂极性表中,极性6.6以上溶剂,只有6.9(乙二醇)、7.2(二甲基亚砜)和10.2(水),6.9和7.2与6.6的差距太小,故考察的极性确定为4.3(乙酸乙酯)、5.4(丙酮)、6.6(甲醇)和10.2(水)。
小鼠肠推进实验的目的在于筛选出所考察溶媒中药理效应最佳者,故未设阳性对照组。结果表明,极性4.3和5.4部分提取物未表现出明显抑制作用,极性6.6(甲醇)提取物药理效应最佳,故确定甲醇为最佳提取溶媒。在此基础上考察了10个不同产地广藿香水溶性成分甲醇提取物抑制小鼠肠推进的作用,与空白组相比,10批广藿香均表现出明显的抑制作用(P<0.05)。
在流动相选择方面,广藿香所含成分复杂,使用单一流动相各色谱峰很难达到理想分离效果。实验中考察了不同组成、不同比例及不同洗脱梯度流动相的分离效果,如不同比例的甲醇-水、乙腈-水,以及往水相适当添加一定比例的磷酸或冰醋酸。研究发现,乙腈-0.1%磷酸溶液作为流动相按所设梯度洗脱时分离效果较好。
在检测波长选择方面,考察了254、268、286、320、333、365nm下的出峰情况,最终选择333nm作为指纹图谱的检测波长。
最终广藿香抑制肠推进药效指纹图谱在去油水溶性成分基础上,以甲醇溶解,以HPLC法构建得到,共含18个特征峰。
3.2谱效分析
谱效分析度谱构建指纹图谱谱效分析是近年来研究较多的用于中药质量控制的方法,“谱效结合”是解决中药质量控制基本问题的治本之策[7-8]。谱效关系的阐释依赖于数据分析方法,近年来,多种统计分析方法已得到应用,如相关分析、聚类分析、灰色关联度分析[9-13]、回归分析(普通多元回归、偏最小二乘回归)、主成分分析、图谱比对等。采用这些方法将指纹图谱与药药理效应数据结合建立数学模型,研究二者的相关性,即得到“谱效关系”[4,7,14]。
本文采用灰色关联度分析方法研究了所建立的广藿香抑制肠推进药效指纹图谱的谱效关系。分析结果表明,图谱中绝大多数峰所代表的化学成分与抑制肠推进作用有一定的关联,说明广藿香水提物抑制胃肠推进作用是其内在“化学成分群”共同作用的结果。同时,根据关联度越大则对应成分对药理作用贡献程度越大的原则,以关联度大于0.65为标准,特征峰P14、P13、P5、P12和P10分别排前5位,说明所对应的5个化合物在抑制胃肠推进作用中可能起到非常重要的作用,初步揭示了广藿香抑制胃肠蠕动作用的物质基础。
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