DE2851138A1 - Faseroptische ph-sonde - Google Patents

Faseroptische ph-sonde

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Description

THE UNITED STATES OF AMERICA, represented by the Secretary, U.S. Department of Commerce, Washington, D.C. (U.S.A.)
Faseroptische pH-Sonde
Die Erfindung betrifft eine faseroptische pH-Sonde zur Implantation in Gewebe zu physiologischen Untersuchungen. Derartige faseroptische pH-Sonden eignen sich zum Implantieren in den Körper eines Menschen oder irgendeines Tieres, um physiologische Messungen vorzunehmen. Genauer gesagt, die faseroptische pH-Sonde ist ein miniaturisierter pH-Messer, der mit Hilfe von reversiblen Faserstoffindikatoren und einzelner Faseroptiken hergestellt wird, der klein genug ist, durch eine 22-er Spritzennadel geführt zu werden und daher in Gewebe für physiologische Unter-
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suchungen implantiert werden kann. Die erfindungsgemäße Sonde ist besonders gut für Messungen am bewegten Objekt geeignet.
ρH-BeStimmungen werden in einem großen Bereich der Biologie benötigt. Insbesondere für die Sauerstoff-Hemoglobin Dissoziation ist der pH-Wert ein wichtiger Parameter und sollte für Untersuchungen des Blut-Sauerstoffgehaltes ermittelt werden. Für einige Krankheiten, zum Beispiel Sichelzellenanämie, ist es wünschenswert, diese Dissoziationskurve in vivo während körperlicher Bewegung aufzunehmen. Bisher bekannte pH-Sonden besitzen eingebaute Detektionseinheiten, wie z.B. in dem Glaselektroden-pH-Sensor, der in eine Spritzennadel eingebaut ist, wie bei J.D. Czaban et al·, Analytical Chemistry, 47, Nr. 11, 1787-92 (September 1975) und ebenda, 48, No. 2, 277-81 (Februar 1976) beschrieben. Derartige Elektroden eignen sich zwar für einige Einsatzgebiete, ihrer starre Konstruktion läßt sich jedoch in bestimmten physiologischen Versuchen, wie z.B. Bewegungsstudien, nicht verwenden, da Irritationen hervorgerufen werden. Außerdem ist mit derartigen ElektrodeηanOrdnungen stets die Ge-fahr elektrischer Schläge und ähnlichem verbunden.
Weitere pH-Meßgeräte sind aus den US-PS 40 33 330 und 40 41 932 bekannt. Diese Hilfsmittel sind zur pH-Messung außerhalb des Körpers bestimmt und eignen sich nicht zur leichten Implantation in einen Körper.
Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine pH-Meßsonde zu schaffen, welche beweglich ist und ohne eine zurückbleibende Nadel in einen Muskel
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oder in anderes Gewebe für In-vitro- oder In-vivo-Studien implantiert werden kann*
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei der Faseroptischen pH-Sonde der eingangs genannten Art gelöst durch eine ionendurchlässige Membran in Form eines hohlen, länglichen Zylinders, der am distalen Ende versiegelt ist; ein Paar Faseroptiken, die an ihrem distalen Ende parallel und nebeneinanderliegend angeordnet sind, wobei ihre distalen Enden innerhalb der hohlen Membran liegen; eines farbstoffhaltigen Materials, das pH-Indikator-Eigenschaften besitzt und innerhalb der hohlen Membran angeordnet ist,, deren Poren so beschaffen sein sollen, daß sie Wasserstoffionen durchtreten lassen, jedoch ein Durchdringen dieses farbstoffhaltigen Materials verhindern.
Der Sensor arbeitet nach einem Prinzip der optischen Detektion der Färbveränderung von pH-abhängigen Farbindikatoren. Der erfindungsgemäße pH-Sensor ist leicht herstellbar, seine Herstellung ist billig und er kann leicht in großen Mengen als leicht verfügbares Gerät hergestellt werden.
Durch die Erfindung wird insgesamt die Herstellung einer faseroptischen pH-Sonde ermöglicht, die sich zur Implantation in Gewebe für physiologische Untersuchungen eignet. Die Sonde enthält im wesentlichen eine ionendurchlässige Membranumhüllung, die die Enden eines Paars Fiberoptiken umschließt. In der Umhüllung befindet sich ein pH-empfindlicher Farbstoffindikator. Der Sensor arbeitet nach dem Prinzip der optischen Detektion einer Farbänderung eines pH-empfindlichen Farbstoffs.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:
Fig. 1 perspektivische Zeichnung des distalen Endes der pH-Meßsonde;
Fig. 2 Zeichnung der optischen Absorption des Indikatorfarbstoffes; und
Fig. 3 die experimentelle Bestimmung des Verhältnisses des reflektierten Lichtes bei 450 nm zum reflektierten Licht bei 560 nm in Abhängigkeit des pH.
Die Erfindung besteht, wie in Fig. 1 gezeigt, aus einem faseroptischen pH-Messer 10, der eine ionendurchlässige Membran 11 beinhaltet, die die Enden eines Paars optischer Fasern 12 und 13 umschließt. Diese Umhüllung ist vorteilhaft röhrenförmig, d.h. ein hohler, gestreckter Zylinder, der dicht über die beiden Fasern 12 und 13 abschließt. Innerhalb der Membran 11 und anschließend an die Enden der Fasern 12 und 13 befindet sich die pH-anzeigende, farbstoffhaltige Verbindung 14. Ein passendes Dichtungsmaterial, wie z.B. ultravioletthärtender optischer Zement, wird benutzt, um das abschließende Ende 15 der Membran 11 zu verschließen. Derartige Dichtungsmaterialien werden auch benutzt, wo die optischen Fasern 12 und 13 in die Membran eintreten, um den Verband sicher zusammenzuhalten.
Die Membranumhüllung 11 kann aus jedem geeigneten Material sein, das stark genug ist, ein schützendes Schild für die darin enthaltenen Komponenten zu liefern, während es andererseits genügend flexibel und nicht
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brüchig sein darf, um ohne Schwierigkeiten in verschiedenen Teilen des Körpers ohne zu zerbrechen eingesetzt zu werden. Eine zusätzliche Voraussetzung für die Membran 11 besteht darin, daß sie Poren besitzen muß, die groß genug sind, Wasserstoffionen hindurchzulassen, während sie andererseits ein Durchdringen des Farbstoffmaterials verhindern soll. Ein MembrandD-Material, das mit gutem Erfolg eingesetzt wurde, ist eine Dialyseröhre, die als Cuprophan B4AH bekannt ist, eine regenerierte Zellulose, deren Eigenschaften in Tabelle 1 angegeben sind.
TABELLE I
Messungen der Membranstärke von Cuprophan B4AH
Maximale Spannungsbean- Maximale Auslenkung spruchung (Reißen)
größer als 300 g größer als 20 %
Die hier verwendeten speziellen Cuprophanschläuche hatten einen inneren Durchmesser von 300 μ und eine Wanddicke von 19/1.
Die farbstoffhaltige, pH-indizierende Verbindung 14, kann jedes- Material sein, das in Verbindung mit der Membran 11 in den optischen Bereich innerhalb der Membran 11 bleibt, ohne durch sie hindurchzudiffundieren, und die eine pH-Anzeige innerhalb des benötigten Bereichs ermöglicht.
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Bei der Auswahl des farbstoffhaltigen Materials 14 sollte immer bedacht werden, daß die zu verwendende Substanz 14 auch selbst ein Farbstoff sein kann, wenn die Farbstoffmoleküle groß genug sind, daß sie nicht durch die Wände der Membran 11 aus dem optischen Bereich diffundieren. Beispiele solcher Farben sind die Naturfarben, die man aus Pflanzen erhält, wie z.B. Azolitmin. Solche Farbstoffe haben ein so großes Molekulargewicht, daß sie nicht leicht diffundieren und deshalb als pH-Indikatoren benutzt werden können. Wenn der Farbstoff selbst statt einer Verbindung eines Farbstoffes mit einem größeren Molekül,z.B. einem Polymeren verwendet wird, kann sich daraus das Problem ergeben, daß die entsprechende Membran 11, die diese Moleküle zurückhalten soll, eine Porengröße hat, die so klein ist, daß die Diffusionsgeschwindigkeit der Wasserstoffionen zu langsam ist, um eine gute Ansprechgeschwindigkeit auf pH zu ermöglichen. Dieses gilt insbesondere, wenn schnelle pH-Änderungen während Übungen des Patienten gemessen werden sollen.
Wenn der zu verwendende Farbstoff ein zu niedriges Molekulargewicht hat, kann man einen Farbstoff verwenden, der an ein anderes Material gebunden ist, wie z.B. ein Polymeres. Unter den Farben, die normalerweise als pH-Indikatoren verwendet werden, sind Phthaleine und Sulfonphthaleine. Verfahren, derartige Farben mit anderen Molekülen zu koppeln, schließen solche bekannten Reaktionen wie die Mannich-Reaktion ein, d.h. Formaldehydkondensation des Farbstoffs mit einer Aminogruppe, wie bei der Präparation von Komplexbildnern. Derartige Reaktionen werden zum Beispiel in den folgenden Publikationen beschrieben, die hier als Beispiele aufgeführt werden sollen: R.O. Cinneide, Nature, 175, 47 (1. Januar 1955);
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R. Prible, Analyst, _83, 188-95 (1958); CH-PS 2 98 (1. Juli 1954); US-PS 27 45 720; und G. Schwarzenbach et al., Complexometric Titrations,Methuen Press (Barnes and Noble), 1969. Weiterhin kann der Farbstoff an ein Polymer angekoppelt werden, indem an das Polymer Gruppen wie Aminogruppen angekoppelt werden, so daß anschließend der Farbstoff mit diesen Gruppen reagieren kann, derartige Methoden beschreibt z.B. J,K. Inman et al., Biochemistry, β, 4074-82 (1969) , die hier als Bezugsliteratur zitiert werden soll. Diese Techniken benötigen zunächst einen Schritt für die Bildung des Polymeren mit anschließender Reaktion mit dem Farbstoff.
Ein weiteres Verfahren, einen pH-Farbstoffindikator an eine andere Substanz anzukoppeln, geht von Farbstoffen aus, die mit einer Isothiocyanatgruppe versehen wurden, solche Farbstoffe werden nach einem Verfahren wie z.B. in der US-PS 29 37 186 beschrieben, hergestellt. Beispiele solcher Farbstoffe sind zum Beispiel 5 (6) Rhodamin B - CNS und Fluorescein - CNS, die beide bei Eastman Organic Chemical Co. erhältlich sind. Ein Farbstoff mit der -CNS-Gruppe reagiert Vermögens dieser Gruppe mit reaktionsfähigem Wasserstoff und kann daher an viele andere Reaktionspartner angekoppelt werden, wie z.B. in der US-PS 38 47 745 und auch in J.J. Haaijman et al., Journal of Immunological Methods, _5, 359-74 (1974). Die letztere Literatursteile beschreibt das Ankoppeln von Fluorescein und Rhodamin-Isothiocyanaten an Sephadexperlen, ein hydrophiles Polysaccharidpolymer, das von der Pharmacia Corp., bezogen werden kann.
Ein allgemein bekanntes Verfahren, Farbstoffe anzu-
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Hi)
koppeln, verwendet Cyanurchlorid (2.4.6.-Trichlor-1.3.5.-Triazin), das mit Aminogruppen des Farbstoffs reagiert, dieses Reaktionsprodukt kann dann mit einer Amino- oder Hydroxylgruppe auf einer Matrix reagieren, um den Farbstoff kovalent auf der Matrix anzubinden. Derartige Methoden sind z.B. in CV. Stead, The Chemistry of Reactive Dyes and Its Relevance to Intracellular Staining Techniques, Seiten 41 - 59; und auch in S.B. Katen et al., Intracellular Staining in Neurobiology, Springer-Verlag (1973).
Farbstoffindikatoren zur pH-Messung können auch durch Herstellen von Mikroeinschlüssen entstehen, die dazu verwendeten Techniken sind zum Beispiel in Science, 193, 134 - 137 (9. Juli 1976) beschrieben. Ein weiteres Verfahren, farbstoffhaltige Verbindungen herzustellen besteht darin, radikalisch polymerisierbare Gele herzustellen, z.B. Acrylate, die eine funktioneile Gruppe am Monomeren besitzen, wie z.B. Hydroxyl, Amin oder Amid. Der Farbstoff wird mit dieser funktionellen Gruppe entweder vor oder nach der Polymerisation zur Reaktion gebracht.
Eine weitere' Alternativmöglichkeit, Farbstoffe mit einem hydrophilen Polymer zu verbinden, besteht darin, einen geeigneten Farbstoff mit einem Acrylsäure-Derivat-Monomeren wie Acrylamid, Methylmethacrylat oder Hydroxymethylmethacrylat (Hydron) zu copolymerisieren, wobei man ein hydrophiles Copolymerisat enthält, indem der pH-Farbstoffindikator in immobilisierter Form gebunden ist. Farbstoffe, die sich für dieses Verfahren eignen, sind Phenolrot, Brillantgelb (CI 24890) und Rosolsäure. Diese Farbstoff-Polymerenkombination kann auch in der Form von kleinen Kügelchen durch Emulsions-
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polymerisation (Wasser in öl) hergestellt werden. Genauere Angaben zur Herstellung derartiger Copolymere findet man in der amerikanischen Patentanmeldung 8 55 384 beschrieben, die gleichzeitig mit dieser Anmeldung von John I. Peterson eingereicht wurde.
Die Faseroptiken 12 und 13 können bis zu ungefähr 1,8 m lang sein, um eine genügende Bewegungsfreiheit des Gerätes 10 relativ zu einer Lichtquelle und einem Lichtdetektor zu ermöglichen, die beide aus üblicherweise verwendeten Bauteilen bestehen, und daher nicht in den Zeichnungen gezeigt werden. Eine der Fasern 12 ist mit ihrem einen Ende an der Lichtquelle angeschlossen, während die andere Faser 13 mit dem anderen Ende am Lichtdetektor angeschlossen ist. Die Fasern 12 und 13 sind übliche Faseroptiken^wobei eine der beiden Fasern benutzt wird, um Licht von der Lichtquelle zum Meßort in Richtung der Sonde 10 zu leiten, während die andere Faser benutzt wird, Licht aufzunehmen und dieses von der Sonde 10 zum Detektor zu leiten. Die Fasern 12 und 13 können zum Beispiel Plastikfaseroptiken sein, mit einem Durchmesser von ungefähr 1/8 mm. Die beiden Fasern 12 und 13 können außerhalb der Meßsonde von einem Teflonschlauch (1mm Durchmesser) gegen mechanische Beschädigungen geschützt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform verwendet als Indikatorfarbstoff Phenolrot. Dieses ist eine organische Säure (HA), die entsprechend der folgenden Gleichgewichtskonstante in ed
dissoziiert
stante in ein Hydroniumion (H ), und ein Anion (A )
K = -ίίϊ-J : \hA- = Gleichgewichtskonstante.
(HA)
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Die in Klammern gesetzten Werte sind die Aktivitäten oder Konzentrationen der gelösten Stoffe. Per Definitionem
gilt: pH = log C 1/(H+) ] , so daß
pH = -log K + log %X = pK-log ( _ r ^ ^ (HA) ^ ^ optische Dichte von A
Das Anion (A ) absorbiert Licht der Wellenlänge 560 nm als Funktion seiner Konzentration, wie in Fig. 2 gezeigt wird. Die Konzentration des undissoziierten Farbstoffs (HA) ist nicht unabhängig von der des Anions (A ). Daraus folgt, daß pH und optische Dichte bei 560 nm direkt voneinander abhängen. Da die Absorption bei 485 nm nicht vom pH abhängt (siehe Fig. 2) kann diese Wellenlänge als Bezugspunkt zur Normierung der Intensität des Lichts bei 560 nm dienen. Man könnte ebenfalls Licht der Wellenlänge >- 600 nm zum Vergleich benutzen, das ebenfalls pH-unabhängig ist, weil der Farbstoff in diesem Bereich nicht mehr absorbiert. In Sonde 10 findet Rückstreuung des Lichts der lichtemittierenden Faser durch die Farbschicht in die Iichtdetektierenden Fasern statt . Wie in Fig. 3 gezeigt, besteht ein linearer Zusammenhang zwischen dem pH und dem Verhältnis der Intensitäten bei 560 nm und 485 nm.
Lichtquelle und Lichtdetektor sind die üblicherweise für solche Anforderungen verwendeteten. Anregungslicht kann zum Beispiel durch eine 150 Watt Wolfram-Projektionslampe (ELV) mit hoher Intensität geliefert werden. Kühlung durch erzwungene Konvektion und ein im Infraroten wirkender Hitzereflektor schützen die Plastikfaser vor Überhitzung. Die große numerische Apertur
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der Plastikfaser (ungefähr 1,2 Radian einbeschriebener Gesamtwinkel) dient zum erfolgreichen Sammeln des Lichts. Die Messung des rückgeführten Lichts kann durch eine übliche Fotodioden/Operationsverstärkereinheit (zum Beispiel von EG&G HAV-4000A), gefolgt durch einen weiteren hochverstärkenden Meßverstärker erreicht werden. Acht Schmalband- Interferenzfilter (ungefähr 5nm Halbwertsbreite), deren Hauptdurchlässigkeit bei 560 nm und 485 nm liegt, werden auf einem motorgetriebenen Rad zwischen dem Ausgang der Rückführungsfaser und dem Lichtdetektor alternierend angeordnet. Eine andere Möglichkeit, das Licht beider Wellenlängen getrennt zu messen, besteht darin, einen Filter für 560 nm und einen weiteren Filter für 485 nm (oder Licht von Wellenlängen \ 600 nm) zu verwenden, die abwechselnd durch einen Schrittmotor in den Strahlengang gebracht werden. Die erhöhte Meßdauer erlaubt eine elektronische Signal-Mittelung und daher größere Rausch-Unterdrückung. Synchronisationspulse werden durch zwei zusätzliche Fotodioden durch Detektion des durch entsprechend angeordnete Löcher in dem oben erwähnten Filterrad gegeben und steuern drei Moduln mit den Werten "Probe" und "Warten"', die die vom Sensor übertragenen Signale für (a) 560 nm Licht, (b) 485 nm oder Licht mit längeren Wellenlängen als 600 nm, und (c) kein eingestrahltes Licht messen. .Der temperaturabhängige Dunkelwert wird gemeinsam mit dem durch Streulicht (wenn das Anregungslicht ausgeschaltet ist) übertragenen Wert von den Meßdäten bei 560 und 485 nm abgezogen, bevor das Verhältnis der beiden Lichtsignale in einem Analog-Dividierer berechnet wird. Verstärkung und Gesamtausschlag werden so eingestellt, daß der pH direkt auf einem Digital-Voltmeter abgelesen werden kann.
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Ht ©■ C -1 -1. Q-
£. O ϋ1 I Γ νί
Bei der Herstellung des farbstoffhaltigen Materials 14 können vor dem Einfüllen in die hohle Membran 11 lichtstreuende Partikel, z.B. Polystyrolkügelchen mit einem Durchmesser von 1 μ zugemischt werden.
Der in Fig. 3 gezeigte In-vitro-Test mit einer basischen Probe wurde mit einem Laborspektrometer durchgeführt und zeigte eine Standardabweichung von 0/01 pH-Einheiten. Die Ansprechzeit kann angenähert durch eine Zeitkonstante von 0,7 Minuten angegeben werden, der Temperaturkoeffizient beträgt 0,02 pH-Einheiten/°C und die Abhängigkeit des Meßergebnisses von der Ionenstärke bei 37°C ist 0,01 pH-Einheiten pro 8% Änderung in der Ionenstärke.
Die vorstehende Beschreibung dient lediglich der Darlegung und Schilderung der Erfindung, jedoch sind mannigfache Abwandlungen und Ausgestaltungen möglich, ohne daß dies aus dem Erfindungsgedanken herausführen würde.
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Claims (8)

  1. BOEHMERTaBOSHMERT
    UX 135
    ANSPRÜCHE
    Λ.) Faseroptische pH-Sonde zur Implantation in Gewebe zu physiologischen Untersuchungen, gekennzeichnet durch eine ionendurchlässige Membran (11) in Form eines hohlen, länglichen Zylinders, der am distalen Ende versiegelt ist; ein Paar Faseroptiken (12, 13), die an ihrem distalen Ende parallel und nebeneinanderliegend angeordnet sind, wobei ihre distalen Enden innerhalb der hohlen Membran (11) liegen; eines farbstoffhaltigen Materials, das pH-Indikator-Eigenschaften besitzt und innerhalb der hohlen Membran (11) angeordnet ist, deren Poren so beschaffen sein sollen, daß sie Wasserstoffionen durchtreten lassen, jedoch ein Durchdringen dieses farbstoffhaltigen Materials (14) verhindern.
  2. 2. pH-Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle an das nächstliegende Ende einer der Faseroptiken (12) angeschlossen und ein Licht-Detektionssystem an das nächstliegende Ende der anderen Faseroptik (13) angebracht ist.
  3. 3. pH-Sonde nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das farbstoffhaltige Material (14) ein hydrophiles Copolymer eines Acrylsäure-Derivat-Monomeren und eines Farbstoffes ist.
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    - ORfG/NAL INSPECTED
    BOEHMERT ά BOSHMERT
    ζ 28S1138
  4. 4. pH-Sonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet/ daß das Acrylsäure-Derivat-Monomere Acrylamid, MethyI-methacrylat oder Hydroxymethylmethacrylat ist.
  5. 5. pH-Sonde nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Farbstoff Phenolrot, Rosolsäure oder Brillantgelb (CI 24890) vorgesehen sind.
  6. 6. pH-Sonde nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das farbstoffhaltige Material in Form von kleinen Kügelchen vorliegt.
  7. 7. pH-Sonde nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß lichtstreuende Teilchen in das farbstoffhaltige Material eingebettet sind.
  8. 8. pH-Sonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtstreuenden Teilchen Polystyrolkügelchen aufweisen.
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DE19782851138 1977-11-28 1978-11-25 Faseroptische ph-sonde Granted DE2851138A1 (de)

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US05/855,384 US4200110A (en) 1977-11-28 1977-11-28 Fiber optic pH probe

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JP (1) JPS5485588A (de)
CA (1) CA1121242A (de)
DE (1) DE2851138A1 (de)
FR (1) FR2409743A1 (de)
GB (1) GB2009394B (de)
NL (1) NL7811372A (de)

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