李冰雁 賈飛 劉毅 李興民

摘 要：肉制品安全一直是食品安全中備受關注的一部分，而食源性致病菌是全球公共衛(wèi)生和人類健康的一大威脅因素，因此肉制品中食源性致病菌的檢測是肉品行業(yè)和食品安全檢測領域的熱點問題。考慮到肉制品作為一種快消品，其中食源性致病菌快速檢測技術的研發(fā)刻不容緩。表面增強拉曼光譜（surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS）因其優(yōu)異的檢測特性，被許多學者應用于食品安全快速檢測領域。本文簡要綜述SERS技術及其在肉制品食源性致病菌快速檢測中的應用，并對其在食品快速檢測領域的應用前景作出展望。

關鍵詞：表面增強拉曼光譜;肉制品;食源性致病菌;快速檢測

Abstract： The safety of meat products has always been a major concern in food safety， and foodborne pathogens are a major threat to public hygiene and human health in the world. Therefore， the detection of foodborne pathogens in meat products is a hot issue in the field of meat industry and food safety testing. Considering the nature of meat products as a fast moving consumer good （FMCG）， it is urgent to develop technologies for the rapid detection of foodborne pathogens in meat products. Surface-enhanced Raman spectroscopy （SERS） has been widely used by researchers in the rapid detection of food safety due to its excellent characteristics. This article briefly reviews SERS and its application in the rapid detection of foodborne pathogens in meat products， and concludes with an outlook on future prospects in this field.

Keywords： surface-enhanced Raman spectroscopy （SERS）; meat products; foodborne pathogens; rapid detection

DOI：10.7506/rlyj1001-8123-20200914-222

中圖分類號：TS251.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：1001-8123（2020）10-0076-06

近年來，由各種食品引起的食源性疾病屢見報道，其中包括食品農(nóng)/獸藥殘留、非法添加劑的使用以及食源性致病菌等，對全球公共衛(wèi)生健康和食品質(zhì)量安全構成了巨大威脅。食源性致病菌即以食物為媒介，對人體健康造成傷害的一類病原體[1]。據(jù)美國疾控中心統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2011年美國約有12.8 萬人因患食源性疾病住院，美國平均每年有3 000 人死于食源性疾病[2]。而這些食源性疾病患者中很大一部分是因食用了被食源性致病菌或其產(chǎn)生毒素污染的食物或飲用水而引起食物中毒，嚴重者會導致死亡。我國現(xiàn)行的GB 29921—2013《食品安全國家標準 食品中致病菌限量》中對不同類別食品的致病菌指標、采樣方案及限量和檢驗方法作出規(guī)定，其中肉制品中常見的致病菌包括沙門氏菌（Salmonella）、單核細胞增生李斯特菌（Listeria monocytogenes）、金黃色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）和大腸埃希氏菌O157：H7（Escherichia coli O157：H7）[3]。

目前，常規(guī)的食源性致病菌檢測方法多為細菌培養(yǎng)法，此方法所得結果較為準確，但操作復雜、耗時費力，只適用于實驗室對樣品進行檢測。而食品檢測往往需要迅速、高效、便捷的操作，并且許多情況下需要進行現(xiàn)場檢測，因此，快速檢測技術的研究刻不容緩。目前，已有許多新技術應用于食源性致病菌的快速檢測，如多重聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）分析法[4]、免疫分析法[5]以及生物傳感器法[6]等。其中，表面增強拉曼光譜（surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS）因其優(yōu)異的檢測特性而備受各界關注，在食品快速檢測領域也得到廣泛應用，對食品添加劑[7]、農(nóng)/獸藥殘留[8]、重金屬[9]等物質(zhì)的檢測均有研究報道。

1 SERS

1.1 拉曼光譜

當光束照射到物質(zhì)表面時，會出現(xiàn)透過、吸收、反射、折射等多種光學現(xiàn)象。在光散射現(xiàn)象中，大部分光與物質(zhì)之間不會發(fā)生能量交換，與入射光相比，折射光的方向發(fā)生改變但波長不變，此為彈性散射，也稱瑞利散射;少部分光會與物質(zhì)發(fā)生能量交換，其傳播方向和波長均發(fā)生變化，這種現(xiàn)象即為非彈性散射[10-11]。

1928年，印度科學家Raman C.V.用汞燈照射液體苯研究散射現(xiàn)象，首次揭示了非彈性散射的存在[12]，并因此將非彈性散射命名為拉曼散射。

物質(zhì)發(fā)生拉曼散射會產(chǎn)生拉曼光譜，其與紅外光譜都屬于分子振動光譜，通過物質(zhì)分子中的官能團振動產(chǎn)生圖譜，而不同分子中的官能團各不相同，每種分子都具有唯一且確定的拉曼光譜[13]。因此，拉曼光譜可作為分子的指紋光譜，提供分子結構信息，進而實現(xiàn)對物質(zhì)快速檢測的目的[14]。

采用拉曼光譜對物質(zhì)進行分析檢測，對樣品內(nèi)部結構不會產(chǎn)生影響，可實現(xiàn)無接觸、無損傷檢測。拉曼光譜檢測溶液樣品時對所使用的溶劑無嚴格限制，尤其適合水溶液的檢測，因為水的拉曼效應非常弱，幾乎不會對待測物質(zhì)的檢測結果產(chǎn)生影響，可以簡化水溶液樣品的前處理過程。但是，實驗中有學者觀察到大約每108～1010 個光子中只有1 個能發(fā)生拉曼散射，且易受干擾，導致其信號強度較弱，因此拉曼光譜在痕量物質(zhì)檢測方面的應用受到極大的限制[15]。

1.2 SERS定義

英國南安普頓大學學者Fleischmann等于1974年在粗糙銀電極表面檢測吡啶分子的實驗中觀察到拉曼信號被放大的現(xiàn)象，但其僅將這種增強效果簡單歸咎于電極表面粗糙化增大了表面積使得更多的吡啶分子被吸附[16]。研究[17-18]通過重復Fleischmann的實驗發(fā)現(xiàn)拉曼信號被放大了106 倍，他們認為這種信號增強效果不僅僅是因為表面積增大，還存在其他的表面效應能夠?qū)崿F(xiàn)拉曼信號的放大。這種貴金屬表面粗糙化處理使得拉曼信號增強的現(xiàn)象，被稱作SERS。

1.3 SERS信號增強機制

目前學界對于SERS信號增強機制的原理尚無確切定論，但主流觀點認為這種拉曼信號顯著增強效應的機理來源于兩方面：物理增強機制（光電磁場）和化學增強機制（金屬表面與吸附分子之間電荷轉(zhuǎn)移）[19]。

當光束照射在粗糙化處理的金屬表面時，會形成一個局域電場，引起拉曼信號的增強，即利用光電磁場理論來解釋SERS機理。物理增強機理的模型包括表面等離子體共振[20]、避雷針效應[21]、天線共振子模型[22]和鏡像場作用[23]。雖然這些物理模型在一定程度上解釋了拉曼信號增強的原因，但仍未能完全闡明SERS的機理[24]。

在此基礎上，有學者提出利用化學理論來解釋SERS物理增強機制無法說明的現(xiàn)象。化學增強機制是從金屬表面與吸附分子之間電荷轉(zhuǎn)移的角度對SERS進行闡釋，包括電荷轉(zhuǎn)移模型[25]、活位模型[26]和分子-金屬成鍵模型[27]。與物理增強相比，化學增強通常只有1～2 個數(shù)量級[28]。

單獨的某種機制均無法很好地解釋SERS的現(xiàn)象，因此在大部分SERS系統(tǒng)中，物理增強和化學增強都是同時存在的，只是對于拉曼信號增強效果的貢獻比例不同[29]。

1.4 SERS基底

在早期的SERS研究中，研究者多使用金屬電極作為SERS基底，并探究其放大拉曼信號的作用機制。Temperini等[30]沿用銀電極研究被其吸附的4-甲基吡啶的SERS，并深入探究其中的分子振動效應以及電荷轉(zhuǎn)移機制。Rubim等[31]使用銅電極測定含吡啶的碘化物水溶液的SERS和熒光光譜，并提出了一種帶正電荷的金屬離子模型來解釋SERS的活性位點。Markwort等[32]在鉑基微電極上形成沉積銀用于檢測氰化物的SERS，并對沉積銀的形成條件以及SERS參數(shù)進行優(yōu)化，制得單個微電極陣列，為SERS技術的應用前景開拓了思路。

現(xiàn)在使用最多的SERS基底材料是納米金屬粒子，主要是利用其獨特的光、電、物化特性以及比表面積大等特點。較為常見的材料有納米金粒子和納米銀粒子等[33-34]。

也有學者將納米金屬材料制成不同形狀粒子進行檢測，以提高SERS的信號強度。Zhou Ting等[35]制備Fe3O4/Au@ATP@Ag納米棒夾心結構，基于SERS檢測魚肉中的組胺含量，并在納米棒的殼核結構中加入內(nèi)標4-對氨基苯硫酚防止拉曼信號受到干擾，結果表明，樣品中組胺濃度在10-3～10-8 mol/L范圍內(nèi)線性關系良好。Nehra等[36]通過控制聚乙烯吡咯烷酮和金離子的物質(zhì)的量比合成核尺寸、針尖長度和針尖數(shù)目不同的星狀納米金粒子，發(fā)現(xiàn)尖端數(shù)目越多、與核的比例越高的星狀納米金粒子在SERS活性方面也會表現(xiàn)出更優(yōu)異的性能，催化速率常數(shù)和SERS增強因子可高達109。Yu Huizhen等[37]制備一種“金納米花（AuNFs）”材料，該粒子由實心金核、空心金殼和花狀金殼3 部分組成，內(nèi)置內(nèi)標拉曼信號分子，通過與細菌特異性DNA序列雜交，實現(xiàn)對于不同細菌的定量檢測，靈敏度可低至單個細菌。

納米金屬粒子除以溶膠的形式用作SERS基底，還可以附著在其他材料表面制成固相片狀基底，能有效改善液相基底檢測重現(xiàn)性差的問題。目前市面上已實現(xiàn)商用化的SERS芯片主要為硅基襯底涂覆金或銀實現(xiàn)對于拉曼信號的增強，但是材料本身的半定量特性仍然限制了其在準確定量檢測中的應用，因此提高固相基底的檢測特性也是SERS研究領域中的一大熱點。Shi Huayi等[38]在硅晶片上涂覆納米銀顆粒制成基底，再連接一段包含2 個獨立片段的DNA序列結構，當靶標物質(zhì)存在時會使基底上2 種拉曼信標物質(zhì)的信號強度比例發(fā)生變化，從而達到檢測目的，這種功能化的SERS基底具備高靈敏度、特異性和重現(xiàn)性。Duan Nuo等[39]將納米金粒子涂覆到聚二甲基硅氧烷膜上，并連接特定病原體的適配體使其功能化，可特異性捕獲靶標致病菌，加入拉曼信號分子修飾的適配體功能化納米金粒子探針形成“三明治”結構，可實現(xiàn)對多種病原體的檢測。

除了金和銀以外，許多學者致力于探究可用作SERS基底的非貴金屬材料。半導體金屬及其化合物作為SERS基底材料具有成本低、無毒、化學穩(wěn)定性好、生物相容性高等優(yōu)點，關鍵問題在于如何有效提高檢測的靈敏度。Wang Xiaotian等[40]以Cu2O納米立方體為模板合成空心Zn（OH）2納米籠，經(jīng)過250 ℃脫水處理得到非晶態(tài)ZnO納米籠，這種獨特的納米結構提供了一個理想的光學諧振腔，不僅實現(xiàn)籠內(nèi)的光捕獲，還增大了表面積供探針分子吸附，因此表現(xiàn)出優(yōu)異的SERS活性，增強系數(shù)高達6.62×105，增強效果優(yōu)于結晶ZnO納米籠。Yang Libin等[41]使用不同結晶度的TiO2納米粒子作為SERS基底檢測環(huán)丙沙星（ciprofloxacin，CIP）分子，發(fā)現(xiàn)CIP分子和TiO2納米粒子之間存在SERS效應相互增強的現(xiàn)象，并探究得到當煅燒溫度450 ℃、吸附溶液pH 6、吸附時間9 h時，TiO2納米粒子對CIP分子有最大的SERS增強效果。此外，TiO2可作為光催化劑促進一些物質(zhì)的光降解，若能應用在有害物檢測領域，未來可能會發(fā)展成為具備高靈敏檢測和高效降解特性的多功能平臺[42]。

SERS克服了普通拉曼光譜信號弱的弊端，保留了拉曼光譜檢測特異性強、靈敏度高、高通量、低成本等突出優(yōu)點，可以應用于分子結構分析以及痕量物質(zhì)檢測[43-44]，突出的優(yōu)點使其在食品檢測領域具有廣闊的應用前景。

2 SERS在肉制品常見食源性致病菌檢測中的應用

2.1 SERS檢測沙門氏菌

沙門氏菌在世界范圍內(nèi)是引起食品安全問題的主要致病菌之一，在肉制品、乳品、禽蛋中均有檢出。在對我國市售生畜肉的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，沙門氏菌在豬肉中的檢出率高于牛、羊肉[45]。食用被沙門氏菌污染的食品易引發(fā)細菌性腸胃炎、敗血癥和心肌炎等多種疾病[46-47]。

Duan Nuo等[48]制備金核銀殼納米粒子作為SERS基底，通過修飾適配體1（apt1）使其功能化，并在適配體2（apt2）上修飾X-羅丹明（X-rhodamine，ROX）作為拉曼報告元件，鼠傷寒沙門氏菌（S. typhimurium）與適配體特異性結合形成Au@Ag-apt1-菌體-apt2-ROX的“三明治”復合結構，利用ROX在1 628 cm-1拉曼位移處的特征峰強度檢測細菌濃度，檢測限為15 CFU/mL。Ma Xiaoyuan等[49]將生物素化適配體固定在微孔板上以捕獲待測的鼠傷寒沙門氏菌，在多刺納米金粒子（spiny gold nanoparticles，SGNPs）上修飾巰基化適配體和拉曼信號分子4-巰基苯甲酸（4-mercaptobenzoic acid，p-MBA）作為SERS納米探針與待測菌結合，檢測p-MBA在1 586 cm-1拉曼位移處的特征峰強度，測得檢測限為4 CFU/mL，該方法在豬肉樣品中的檢測回收率為96.55%～105.45%，檢測效果良好。SGNPs的分支尖端對SERS的場增強非常顯著，在同等實驗條件下，相比于納米球和納米棒，SGNPs表現(xiàn)出更強的SERS增強效應。蘇藍[50]以納米金粒子為SERS基底對鼠傷寒沙門氏菌進行直接檢測，與大腸桿菌對比發(fā)現(xiàn)，有7 個特征峰存在明顯差別，并推斷這種差異主要是由于細菌細胞外壁蛋白質(zhì)骨架結構組成不同造成的。同時還實現(xiàn)了對鼠傷寒沙門氏菌2 種常用工程菌株的鑒別，建立的分類模型準確率達到100%，對敏感和抗性菌株的鑒別模型錯分率僅為4.0%和3.5%。

2.2 SERS檢測單核細胞增生李斯特菌

單核細胞增生李斯特菌是一種常見的食源性致病菌，老人、兒童、孕婦及其他免疫力低下人群均為易感人群，感染病癥可表現(xiàn)為腦膜炎、敗血癥等[51]。據(jù)歐洲食品安全局和歐洲疾病預防控制中心發(fā)布的報告，2018年歐洲發(fā)現(xiàn)2 500多例李斯特菌感染病例，病死率高達15.6%[52]。

Teixeira等[53]將微流體技術、環(huán)介導等溫擴增（loop-mediated isothermal amplification，LAMP）技術與SERS相結合，在納米金粒子上修飾穩(wěn)定劑巰基化聚乙二醇、拉曼信號分子1-萘硫酚和生物誘導螯合劑谷胱甘肽，利用谷胱甘肽和LAMP擴增DNA過程中產(chǎn)生的焦磷酸與游離鎂離子絡合使納米金粒子聚集，從而引起1-萘硫酚的拉曼信號強度變化，從而對體系中的單核細胞增生李斯特菌實現(xiàn)間接檢測，目標DNA的檢測限低至102 pg/μL，這種方法有效避免了SERS無標簽直接檢測DNA分子所得到的復雜結果，使數(shù)據(jù)分析更加簡潔直觀。Huang Deqiu等[54]制備一種基于黑磷金濾紙的無標簽三維SERS（3D-SERS）基底，樣品無需處理可直接進行檢測，3D-SERS基底相比于2D-SERS基底具有更大的表面積和更多信號增強“熱點”，具有靈敏度高、制備簡便、成本低廉等特點，通過主成分分析（principle component analysis，PCA）和線性判別分析對單核細胞增生李斯特菌及其他食源性致病菌進行特異性識別，整個檢測過程僅需幾分鐘。Akcinar等[55]利用磁性納米金粒子修飾抗體對樣品中的單核細胞增生李斯特菌進行預富集，再將連接抗體和拉曼信號分子的納米金粒子與菌體共同孵育，使信號探針與細菌相結合，實現(xiàn)對細菌的定量檢測，測得磁性納米金粒子對單核細胞增生李斯特菌的捕獲效率為75%，檢測方法優(yōu)化后的檢測限為12 CFU/mL，并在食品樣品中驗證了該方法的實用性。

2.3 SERS檢測金黃色葡萄球菌

金黃色葡萄球菌能引起人類多種疾病如感染性心內(nèi)膜炎、感染性關節(jié)炎等，是世界范圍內(nèi)對人類健康的一大威脅。其分泌的腸毒素會使人體出現(xiàn)嘔吐、腹瀉等癥狀并引起急性食物中毒，產(chǎn)生的細胞壁相關蛋白能引發(fā)骨髓炎、鼻竇炎、中耳炎等慢性炎癥，甚至導致感染者死亡[56]。

Potluri等[57]將SERS與PCR技術相結合開發(fā)一種高度特異性的耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（methicillin-resistant Staphylococcus aureus，MRSA）檢測方法，對MRSA中的2 個特定基因序列mecA和femA進行PCR擴增并生物素化，與經(jīng)鏈霉親和素修飾的磁性粒子和連接捕獲探針及拉曼信號分子4-MBA及4-巰基-3-硝基苯甲酸的納米金粒子相結合，形成納米金粒子-PCR-磁珠復合物，利用磁鐵完成靶標DNA的收集和分離，在1 077 cm-1和1 340 cm-1處檢測得到2 個指示目標基因的特征峰，可檢測的DNA拷貝數(shù)最低為104。Wang Yanlin等[58]利用抗體修飾的改性磁性氧化鐵粒子（IgG@MNPs）捕獲細菌，再向體系中加入硼酸功能化聚多巴胺（polymerized dopamine，PDA）涂層金核銀殼納米粒子，當SERS信標分子PDA與細菌表面相結合時，拉曼信號被放大108 倍，對測得光譜的PCA和層次聚類分析結果進行比較發(fā)現(xiàn)，細菌分類的最佳標志是其表面的蛋白質(zhì)和多糖信號（1 300～1 450 cm-1），該方法可實現(xiàn)對金黃色葡萄球菌及其他多種細菌的鑒別及檢測，最低檢出限為10 CFU/mL，檢測過程僅需30 min。Zhang Hui等[59]利用適配體固定化磁性納米金粒子對待測菌進行捕獲，用拉曼信號分子和適配體修飾的納米金粒子作信號探針，通過適配體與細菌相連形成“三明治”結構，對細菌的拉曼信號放大并檢測，在最佳檢測條件下金黃色葡萄球菌的檢出限為35 CFU/mL，以豬肉為檢測樣品時回收率為94.12%～102.75%，可應用于實際樣品的檢測，該方法具有靈敏度高、選擇性好、檢測時間短等優(yōu)點，還可實現(xiàn)與鼠傷寒沙門氏菌的同時檢測。

2.4 SERS檢測大腸埃希氏菌O157：H7

大腸埃希氏菌O157：H7是腸出血性大腸桿菌中最為典型的一種，其感染劑量極低，致病性極強，能引起出血性腸炎、溶血性尿毒綜合癥和血栓形成性血小板減少性紫癜等多種腸道疾病，嚴重時能造成病人死亡[60]。

Guven等[61]將免疫磁分離和SERS相結合對大腸埃希氏菌O157：H7進行測定，將生物素標記的抗大腸桿菌抗體固定在親和素磁性納米粒子上，制備金涂層磁珠納米粒子用于細菌的分離和濃縮，用2-硝基苯甲酸修飾的金納米棒作為信號探針與鍍金磁珠納米粒子-抗體-大腸桿菌復合物共同孵育，細菌濃度與SERS信號強度在10～104 CFU/mL范圍內(nèi)呈良好線性關系（R2=0.992），檢出限為8 CFU/mL，檢測操作在70 min內(nèi)即可完成。Zhu Tingfeng等[62]在納米金粒子表面包覆一層較厚的二氧化硅外殼，并在兩層之間嵌入拉曼信號分子4，4-聯(lián)吡啶，與普通AuNP/AgNP型SERS納米探針相比，該技術可避免外界因素對SERS檢測過程的影響，使檢測穩(wěn)定性得到提高，并可應用在復雜的生化環(huán)境中。將該技術應用于大腸埃希氏菌O157：H7的檢測，檢測限低至10 CFU/mL，并成功實現(xiàn)在實際樣品中的檢測，回收率為95.5%～114.8%。You等[63]等制備一種金納米粒子涂層淀粉磁珠（AuNP@SMBs），并在表面用雙功能連接蛋白-4×金結合肽標記葡萄球菌蛋白G功能化，這種連接蛋白存在GBP和SPG 2 個結構域，分別對納米金粒子和抗體的Fc區(qū)域有特定親和力，可以將大腸埃希氏菌O157：H7特異性抗體定向固定在納米金粒子表面;同時，連接蛋白在該檢測體系中還起到拉曼信號分子的作用，在1 380 cm-1處可以觀察到特征峰，其振幅與目標細菌濃度在100～105 CFU/mL范圍內(nèi)呈最優(yōu)線性相關性。Zhou Shuaihuai等[64]開發(fā)一種納米骨架型SERS探針，采用“一鍋合成”法將大腸桿菌O157：H7的適配體（Apt-1）和信號分子羅丹明B（rhodamine B，RhB）偶連在金納米棒上，這種組合在檢測中表現(xiàn)出良好的識別性、穩(wěn)定性和顯著的拉曼信號增強效果，該方法可以克服傳統(tǒng)的適配體與蛋白質(zhì)配對連接中所產(chǎn)生的位移、競爭及假陽性等問題。在優(yōu)化的實驗條件下，RhB在1 350 cm-1處的拉曼吸收強度與大腸埃希氏菌O157：H7濃度在10～104 CFU/mL范圍內(nèi)呈良好的線性關系（R2=0.998 2），并在飲用水和食品樣品中驗證了該方法的準確性和適用性。

3 結 語

SERS檢測法具有特異性好、不直接接觸樣品、檢測通量高、檢測成本低等優(yōu)點，對分子結構分析和痕量物質(zhì)的檢測以及單分子和單細胞的檢測具有強大優(yōu)勢，非常適合用于食源性致病菌的快速檢測。相比于傳統(tǒng)檢測方法，SERS檢測食源性致病菌時樣品無需經(jīng)過復雜處理，檢測時間短，檢測限低，因此應用前景廣闊。但是，目前SERS檢測食源性致病菌多數(shù)在溶液體系中完成，以食物為樣品進行檢測的實驗較少，且部分實驗僅對單一的食物品種進行檢測，而在實際情況中一種致病菌常常存在于多種食品當中。因此，SERS檢測是否能走出實驗室，真正應用于實際中的食品安全檢測，還需要更多的研究進行鋪墊。

同時，SERS應用于食品快速檢測領域還可以從以下兩方面繼續(xù)深入探索：1）實際情況下，樣品中往往會存在多種致病菌或有害物質(zhì)，為提高檢測效率，應開發(fā)多靶標高通量的SERS檢測技術，實現(xiàn)對多個食品風險因素的同時檢測;2）食品安全檢查往往需要在短時間內(nèi)對食品進行檢測，因此需要檢測設備便攜化，目前市面上的手持式拉曼光譜儀造價較為昂貴，且功能較為單一，難以在檢測機構部門中普及使用，因此研制價格低、功能完備的SERS檢測設備也是亟待解決的難題。隨著研究深入以及其他相關技術的發(fā)展，SERS技術必將在食品安全快速檢測及其他學科領域占有重要一席。

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