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論文

Understanding competition of polyalcohol dehydration reactions in hot water

Chang, Y. L.*; 佐々木 岳彦*; Ribas-Ari$~n$o, J.*; 町田 昌彦; 志賀 基之

Journal of Physical Chemistry B, 123(7), p.1662 - 1671, 2019/02

バイオマス由来ポリアルコールの脱水は、有機溶媒または金属触媒を使用せずに、高温水または高温炭酸水で制御可能な選択的反応の典型としてグリーンケミストリーにおいて最近注目を集めている。この研究では、酸性の高温水中での1,2,5-ペンタントリオールの競合分子内脱水反応のメカニズムを理解するために、第一原理メタダイナミクスとブルームーンアンサンブルシミュレーションに基づく自由エネルギー解析を行った。その結果、最も支配的なメカニズムは、水によるヒドロキシル基のプロトン化およびC-O結合の切断および形成が同時に起こる、プロトン支援S$$_{rm N}$$2型のプロセスであることがわかった。シミュレーションから見いだされた詳細なメカニズムは、どのようにして反応経路が熱水中で選択的であるか、そしてなぜ反応速度が酸性環境において加速されるかを示し、競合する多価アルコールの脱水プロセスについて実験結果の明確な説明を与える。

論文

A Novel microemulsion phase transition; Toward the elucidation of third-phase formation in spent nuclear fuel reprocessing

Mu, J.*; 元川 竜平; 阿久津 和宏*; 西辻 祥太郎*; Masters, A. J.*

Journal of Physical Chemistry B, 122(4), p.1439 - 1452, 2018/02

 被引用回数:4 パーセンタイル:27.96(Chemistry, Physical)

We present evidence that the transition between organic and third phases, which is an unusual transition between two isotropic, bi-continuous micro-emulsion phases. This system contains quaternary; water, n-dodecane, nitric acid, tributyl phosphate (TBP). This quaternary system has been shown to exhibit, under appropriate conditions, three coexisting phases: a light organic phase, an aqueous phase, and the so-called third phase. In this work, we focused on the coexistence of the light organic phase with the third phase using methods of molecular dynamics (MD) simulation and small-angle X-ray scattering (SAXS). Snapshots from the MD simulations as well as a cluster analysis of the organic and third phases revealed structures akin to bi-continuous micro-emulsion phases, with the polar species residing within a mesh, and with the surface of the mesh formed by amphiphilic TBP molecules. The non-polar n-dodecane molecules were observed in these snapshots to be outside this mesh. The only large-scale structural differences observed between the two phases were the dimensions of the mesh. Evidence for the correctness of these structures was provided by the results of SAXS studies, where the profiles obtained for both the organic and third phases agreed well with those calculated from simulation.

論文

Nanoscopic structural investigation of physically cross-linked nanogels formed from self-associating polymers

関根 由莉奈; 遠藤 仁*; 岩瀬 裕希*; 竹田 茂生*; 向井 貞篤*; 深澤 裕; Littrell, K. C.*; 佐々木 善浩*; 秋吉 一成*

Journal of Physical Chemistry B, 120(46), p.11996 - 12002, 2016/11

 被引用回数:6 パーセンタイル:61.76(Chemistry, Physical)

コントラスト変調中性子小角散乱法を用いてコレステロール置換プルラン(CHP)が形成するナノゲルの内部微細構造の評価を行った。溶媒の重水分率の異なるCHPナノゲル水溶液の散乱強度を分離してCHPナノゲルを構成するプルラン、コレステロール、プルランーコレステロールのcross-termの部分散乱関数を求めて解析を行った。結果、プルラン鎖が形成するナノゲル骨格は半径8.1nmの大きさであった。また、CHPナノゲル内において、約3個のコレステロール分子から成る架橋点が19個形成され、フラクタル次元2.6で分布していることを明らかにした。また、架橋点と高分子鎖のcross-termを解析したところ、部分鎖の大きさは半径約1.7nmであった。以上の結果より、ナノゲルの内部微細構造を明らかにした。

論文

Reverse stability of oxyluciferin isomers in aqueous solutions

野口 良史*; 樋山 みやび*; 志賀 基之; 杉野 修*; 秋山 英文*

Journal of Physical Chemistry B, 120(34), p.8776 - 8783, 2016/09

 被引用回数:3 パーセンタイル:81.42(Chemistry, Physical)

室温の水溶液中におけるオキシルシフェリンアニオンの安定性(ケト,エノール、およびエノラート異性体)を調べるため、ナノ秒スケールの大規模な第一原理分子動力学シミュレーションを行った。その結果、従来の量子化学計算とは対照的に、ケト型よりもエノール型の方がわずかに安定で、最近の幾つかの実験的結論に合致した。このシミュレーションから、ケト型が特に疎水的でと水との界面にキャビティが形成することや、疎水性が水分子数とともに減少する様子が明らかになった。このことから、安定な異性体は水和クラスターの大きさに依存するものと予想される。

論文

Comparative molecular dynamics study on tri-$$n$$-butyl phosphate in organic and aqueous environments and its relevance to nuclear extraction processes

Mu, J.*; 元川 竜平; Williams, C. D.*; 阿久津 和宏*; 西辻 祥太郎*; Masters, A. J.*

Journal of Physical Chemistry B, 120(23), p.5183 - 5193, 2016/06

 被引用回数:12 パーセンタイル:35.55(Chemistry, Physical)

A refined model for tri-$$n$$-butyl phosphate (TBP), which uses a new set of partial charges generated from our ab initio density functional theory calculations, has been proposed in this study. Molecular dynamics simulations are conducted to determine the thermodynamic properties, transport properties, and the microscopic structures of liquid TBP, TBP/water mixtures, and TBP/$$n$$-alkane mixtures. These results are compared with those obtained from four other TBP models, previously described in the literature. We conclude that our refined TBP model appears to be the only TBP model from this set that, with reasonable accuracy, can simultaneously predict the properties of TBP in bulk TBP, in organic diluents, and in aqueous solution. This new TBP model is thus appropriate for the simulation of liquid-liquid extraction systems in the nuclear extraction process, where one needs to simultaneously model TBP in both aqueous and organic phases. It is also promising for the investigation of the microscopic structure of the organic phase in these processes and for the characterization of third-phase formation, where TBP again interacts simultaneously with both polar and nonpolar molecules. Because the proposed TBP model uses OPLS-2005 Lennard-Jones parameters, it may be used with confidence to model mixtures of TBP with other species whose parameters are given by the OPLS-2005 force field.

論文

Neutron diffraction of ice in hydrogels

関根 由莉奈; 深澤 倫子*; 相澤 守*; 小林 理気*; Chi, S.*; Fernandez-Baca, J. A.*; 山内 宏樹; 深澤 裕

Journal of Physical Chemistry B, 118(47), p.13453 - 13457, 2014/08

 パーセンタイル:100(Chemistry, Physical)

ハイドロゲル中に存在する水の構造や性質を明らかにすることを目的として、10-300Kにおける重水を含むポリ$$N$$,$$N$$,-ジメチルアクリルアミドハイドロ(PDMAA)ゲルの中性子回折パターンを測定した。250K以下において観察された回折ピークは、ゲル中に氷が存在することを示した。これらのピーク位置は、通常の六方晶の氷(Ice Ih)よりも低い角度であった。このピーク位置のシフトはゲル中の氷の構造における$$a$$軸, $$c$$軸の格子が通常のIce Ihよりも各々0.29, 0.3%大きいことを示す。この結果は、PDMAAゲル中に低密度の氷が存在することを示す。このような氷構造の歪みは、ゲル中における水分子と高分子鎖の相互作用によるものと考えられる。

論文

Dissociation free-energy profiles of specific and nonspecific DNA-protein complexes

米谷 佳晃; 河野 秀俊

Journal of Physical Chemistry B, 117(25), p.7535 - 7545, 2013/06

 被引用回数:11 パーセンタイル:58.32(Chemistry, Physical)

DNA-binding proteins recognize DNA sequences with at least two different binding modes, specific and nonspecific. Experimental structures of such complexes provide us a static view of the bindings. However, it is difficult to reveal further mechanisms of their target-site search and recognition only from static information because the transition process between the bound and unbound states is not clarified by static information. What is the difference between specific and nonspecific bindings? Here we performed adaptive biasing force molecular dynamics simulations with the specific and nonspecific structures of DNA-Lac repressor complexes to investigate the dissociation process. The resultant free-energy profiles showed that the specific complex has a sharp, deep well consistent with tight binding, whereas the non-specific complex has a broad, shallow well consistent with loose binding. The difference in the well depth, 5 kcal/mol, was in fair agreement with the experimentally obtained value and was found to mainly come from the protein conformational difference, particularly in the C-terminal tail. Comparison of the free-energy barrier for sliding, $$sim$$8.7 kcal/mol, and that for dissociation (at least $$sim$$16 kcal/mol) calculated in this study suggests that sliding is much preferred to dissociation.

論文

Microscopic structures of tri-$$n$$-butyl phosphate/$$n$$-octane mixtures by X-ray and neutron scattering in a wide $$q$$ range

元川 竜平; 鈴木 伸一; 小川 紘樹*; Antonio, M. R.*; 矢板 毅

Journal of Physical Chemistry B, 116(4), p.1319 - 1327, 2012/02

 被引用回数:23 パーセンタイル:36.11(Chemistry, Physical)

Tri-$$n$$-butyl phosphate (TBP) is an important extractant for separating hexavalent uranium and tetravalent plutonium from used nuclear fuel by solvent extraction. In such solvent extractions using TBP, the organic phase occasionally separates into two organic phases, namely, light and heavy organic phases. The latter one in particular is called the third phase. The purpose of this work is to elucidate the mechanism whereby the third phase forms in biphasic liquid-liquid solvent extraction of heavy metal ions. Toward this end, small- and wide-angle X-ray and neutron scattering experiments were conducted to examine the microscopic structures of TBP/octane mixtures. These investigations of solute associations provide insights into system performance. After the extraction of heavy metal ions, for example, the microscopic structures formed in the organic phase are likely to be correlated with the initial microscopic structures, which are revealed here. SWAXS and SWANS, with accurate estimations of incoherent scattering intensities for all solution samples, revealed the following: (1) TBP self-associates in octane, and the average distance between two TBP molecules in the TBP assemblies is evaluated as 0.9-1.0 nm; (2) the shape of the TBP assembly is ellipsoidal; and (3) the attractive interaction among TBP assemblies in octane is miniscule, and thus, they tend to be dispersed homogeneously due to the excluded volume effect.

論文

Self-assembly process of peptide amphiphile worm-like micelles

島田 智子*; 坂本 直紀*; 元川 竜平; 小泉 智*; Tirrell, M.*

Journal of Physical Chemistry B, 116(1), p.240 - 243, 2012/01

 被引用回数:33 パーセンタイル:24.37(Chemistry, Physical)

Peptide amphiphile molecules (PA) are remarkably versatile and useful as building blocks for construction of complex supramolecular structures in a bottom-up fashion. Worm-like micelles of PA have been demonstrated to have successful application to creation of synthetic extracellular matrix materials for tissue engineering and regenerative medicine. However, the pathway of the self-assembly process of the PA worm-like micelle has not been fully characterized or understood. This work analyzes the self-assembly process leading to worm-like micelle formation in our designed PA with small-angle neutron scattering and atomic force microscopy. The experimental results demonstrate the existence of transient spherical micelles in the early stage of the process and subsequent micelle chain elongation by attachment of spherical micelles to the end of growing cylindrical micelles to form worm-like micelles in a process mimicking chain-growth polymerization.

論文

Ion specific effects on the structure of molten AF-ZrF$$_4$$ systems (A$$^+$$ = Li$$^+$$, Na$$^+$$, and K$$^+$$)

Pauvert, O.*; Salanne, M.*; Zanghi, D.*; Simon, C.*; Reguer, S.*; Thiaudi$`e$re, D.*; 岡本 芳浩; 松浦 治明*; Bessada, C.*

Journal of Physical Chemistry B, 115(29), p.9160 - 9167, 2011/07

 被引用回数:33 パーセンタイル:26.13(Chemistry, Physical)

AF-ZrF$$_4$$ system (A$$^+$$=Li$$^+$$, Na$$^+$$, K$$^+$$)混合系融体の構造を、EXAFS分光法と分子動力学(MD)計算法の組合せによって調べた。EXAFSの結果は、MD計算によって良好に再現された。計算では、融体中の7配位や6配位の構造の安定化の促進具合を評価した。Li, Na及びKの間の違いと、組成による違いを、系統的に調べた。MD計算からラマン分光スペクトルの導出も行った。また、配位構造がどの程度の時間保たれるかの評価も実施した。配位構造同士の相関については、Zr$$^{4+}$$-Zr$$^{4+}$$対の部分相関関数から評価した。

論文

Determination of structural parameters of protein-containing reverse micellar solution by near-infrared absorption spectroscopy

村上 洋; 西 孝樹*; 豊田 祐司*

Journal of Physical Chemistry B, 115(19), p.5877 - 5885, 2011/04

 被引用回数:11 パーセンタイル:64.64(Chemistry, Physical)

逆ミセルは、界面活性剤分子が会合してできたナノメートルサイズの球状の空洞であり、その中に、水溶性の生体高分子を保持できる。逆ミセルは細胞の一つのモデル系となり、逆ミセルを用いて、生体高分子の機能・物性の空洞サイズや水和水環境依存性を調べるなど、水溶液ではできない研究が可能である。そのような研究のためには、生体高分子を含んだ逆ミセルの構造情報が必要である。空洞に水のみを含む逆ミセルでは、X線小角散乱測定など広範な研究により、[水濃度]/[界面活性剤濃度](=$$w$$)が構造パラメータを決める主因子であり、空洞半径や会合界面活性剤分子数などの$$w$$依存性が明らかにされている。それに対して、生体高分子逆ミセルの構造パラメータはよくわかっていない。本研究では、近赤外分光の結果を基礎に、生体高分子逆ミセルの構造パラメータのW依存性を決定するモデルを提案する。

論文

In situ experimental evidence for a nonmonotonous structural evolution with composition in the molten LiF-ZrF$$_4$$ system

Pauvert, O.*; Zanghi, D.*; Salanne, M.*; Simon, C.*; Rakhamatullin, A.*; 松浦 治明*; 岡本 芳浩; Vivet, F.*; Bessada, C.*

Journal of Physical Chemistry B, 114(19), p.6472 - 6479, 2010/05

 被引用回数:41 パーセンタイル:21.6(Chemistry, Physical)

50モル%ZrF$$_4$$までの組成の溶融LiF-ZrF$$_4$$系の構造を核磁気共鳴分析(NMR)法、広域X線吸収微細構造分析(EXAFS)法、及び分子動力学(MD)計算の組合せによって調べた。$$^{91}$$Zr高温NMR分析の結果から、Zrイオンの周りの配位数はすべて7であることがわかった。MD計算の結果は、EXAFSの結果とよく一致し、融体中に[ZrF$$_6$$]$$^{2-}$$, [ZrF$$_7$$]$$^{3-}$$, and [ZrF$$_8$$]$$^{4-}$$のような錯イオン種があることが判明した。

論文

Anisotropic swelling behavior of the cornea

松浦 豊明*; 池田 仁英*; 井戸田 直和*; 元川 竜平; 原 嘉昭*; 安中 雅彦*

Journal of Physical Chemistry B, 113(51), p.16314 - 16322, 2009/12

 被引用回数:12 パーセンタイル:63.68(Chemistry, Physical)

The phase equilibrium property and structural and dynamical properties of pig cornea were studied by macroscopic observation of swelling behavior, dynamic light scattering (DLS), and small-angle X-ray scattering (SAXS) under various conditions. The corneal gel collapses uniformly into a compact state at a temperature above 55$$^{circ}$$C because of the denaturation of collagen, whereas it collapses along an axis parallel to the optic axis with increasing NaCl concentration. Anisotropic deswelling was also observed during desiccation. SAXS measurements revealed that the periodicity of the collagen fiber of the cornea does not change even at higher NaCl concentration, which indicates that hydration and dehydration resulting from changes in salt concentration simply cause swelling and deswelling of the glycosaminoglycan (GAG), which is located between the regular two-dimensional lattices of collagen fibers, which obliges the change in thickness. From observations of the dynamics of light scattered by the corneal gel, intensity autocorrelation functions that revealed two independent diffusion coefficients were obtained. Divergent behavior in the measured total scattered light intensities and diffusion coefficients with varying temperature was observed. That is, a slowing of the dynamic modes accompanied by increased static scattered intensities was observed. This is indicative of the occurrence of a phase transition as a function of temperature.

論文

Nucleobase lesions and strand breaks in dry DNA thin film selectively induced by monochromatic soft X-rays

藤井 健太郎; 鹿園 直哉; 横谷 明徳

Journal of Physical Chemistry B, 113(49), p.16007 - 16015, 2009/11

 被引用回数:17 パーセンタイル:51.91(Chemistry, Physical)

軟X線によって乾燥プラスミドDNA中に生じる分子主鎖切断や酸化的塩基損傷の収率をアガロース電気泳動法により検出した。塩基損傷の検出は、照射試料を塩基除去修復酵素で処理することによって塩基損傷を鎖切断に変換することで定量した。それぞれの収率は、軟X線のエネルギーに依存し、特に酸素K殻吸収によって鎖切断及び塩基損傷の収率の有意な増加が見られた。

論文

Hydration-dependent protein dynamics revealed by molecular dynamics simulation of crystalline Staphylococcal nuclease

城地 保昌*; 中川 洋; 片岡 幹雄; 北尾 彰朗*

Journal of Physical Chemistry B, 112(11), p.3522 - 3528, 2008/03

 被引用回数:7 パーセンタイル:77.67(Chemistry, Physical)

結晶状態の黄色ブドウ球菌由来核酸分解酵素の分子シミュレーションを低い水和量と高い水和量で行って、蛋白質ダイナミクスに対する水和効果を調べた。高い水和量では結晶の隙間に水を充填させた。低い水和量では結晶水のみを入れた。ガラス性転移は220Kの温度で両者で見られたが、高い水和量の方が転移はより顕著であった。残基ごとの揺らぎの解析からは、ループや末端領域に揺らぎの増加が見られた。これら領域は低い水和量では分子間の接触によって揺らぎは抑制されていた。高い水和量での水分子の揺らぎは低い水和量よりも一桁大きい。転移温度以上では高い水和量では水分子はバルク水のように振る舞い、蛋白質ダイナミクスの潤滑剤として働く。一方、低い水和量では水分子は蛋白質と水素結合を形成し、蛋白質の揺らぎの大きさと同程度になる。分子間相互作用と溶媒の運動性は蛋白質のガラス性転移を理解するのに重要である。

論文

Electron photodetachment from iodide in ionic liquids through charge-transfer-to-solvent band excitation

加藤 隆二*; 吉田 陽一*; 勝村 庸介; 高橋 憲司*

Journal of Physical Chemistry B, 111(18), p.4770 - 4774, 2007/05

 被引用回数:47 パーセンタイル:20.63(Chemistry, Physical)

Solvation of iodide and electrons in an ionic liquid (${it N,N,N}$-trimethyl-$$n$$-propylammonium bis(trifluoromethanesulfonyl) imide; TMPA-TFSI) was studied through the absorption spectra of the charge-transfer-to-solvent(CTTS) state of iodide and of solvated electrons. The interaction between the TMPA cation and iodide was strong, where as electrons were weakly solvated in TMPA-TFSI. We followed electron photodetachment from iodide to the ionic liquid and formation of the solvated electrons by observing absorption in the visible and near-infrared regions using a nanosecond laser flash photolysis method. The quantum yield of the photodetachment in TMPA-TFSI was estimated to be 0.34, which is much higher than that in a high-concentration aqueous salt solution previously reported. We also examined a reaction of the solvated electrons with the ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (Bmim-TFSI) as a solute in TMPA-TFSI. The reaction rate was determined to be 5.3$$times$$10$$^{8}$$ M$$^{-1}$$s$$^{-1}$$. The electrons before full solvation (dry electrons) reacted with Bmim cations efficiently. These observations suggest that the electrons in TMPA-TFSI can move easily before solvation.

論文

Reaction between diiodide anion radicals in ionic liquids

高橋 憲司*; 酒井 慎吾*; 手塚 博昭*; 比江嶋 祐介*; 勝村 庸介; 渡邉 正義*

Journal of Physical Chemistry B, 111(18), p.4807 - 4811, 2007/05

 被引用回数:37 パーセンタイル:27.54(Chemistry, Physical)

Photodetachment of electrons from iodide ions produced diiodide anion radicals in ionic liquids containing ammonium, pyrrolidinium, and piperidinium cations. The rates of reaction between diiodide anion radicals in molecular solvents such as H$$_{2}$$O, methanol, and ethanol could be estimated by the Debye-Smoluchowski equation, which accounts for electrostatic interactions using dielectric constants for the molecular solvents. In contrast, the rates of reaction between diiodide anion radicals in the ionic liquids were close to the diffusion limited rates for the neutral molecules, suggesting that electrostatic repulsion between the diiodide anion radicals is weakened by Coulombic shielding in the ionic liquids.

論文

Customized morphologies of self-condensed multisegment polymer nanowires

佃 諭志*; 関 修平*; 杉本 雅樹; 田川 精一*

Journal of Physical Chemistry B, 110(39), p.19319 - 19322, 2006/10

 被引用回数:20 パーセンタイル:47.4(Chemistry, Physical)

高エネルギーイオンビームによりケイ素系高分子薄膜中に形成されるナノワイヤーは、その長さが薄膜の厚さで、その太さがイオントラックに与える線エネルギー付与密度や分子量等で制御可能であることがわかっている。本稿はこの製造工程中において、ワイヤー同士を直接結合する新規な形状制御法について報告する。平滑な基板上にケイ素高分子薄膜を形成し、その上に膨潤しやすい親水性の高分子、さらにケイ素高分子を塗布した3層構造の高分子薄膜を作製した。これにイオンビームを照射してナノサイズの架橋部を形成し、未照射部分を溶媒で洗浄除去したところ、親水性の中間層部分に対応するナノワイヤーが縮れて凝集し、ケイ素高分子ナノワイヤーが凝集点で複数束ねられたナノ構造体(多岐ナノワイヤー)を得ることに成功した。

論文

Structural kinetics studies on phase transitions of the Bi UPD layer between the (2 $$times$$ 2) and ($$p$$ $$times$$ $$sqrt{3}$$) structures using surface X-ray diffraction

田村 和久; 水木 純一郎

Journal of Physical Chemistry B, 109(26), p.12832 - 12836, 2005/07

 被引用回数:2 パーセンタイル:94.35(Chemistry, Physical)

電極表面における2次元相形成については、これまでFleischmann, Thirskらを初めとする多くの研究者によって検討が行われ、さまざまなことが明らかになっている。しかしながら、測定手法の大きな制限から、これまで、クロノポテンショメトリー及びクロノアンノンペロメトリー法による検討が主であり、電極表面構造解析法による検討はほとんど行われていない。これまで、われわれは大電流を流すことができる、溶液抵抗の小さな「ドロップセル」を作成し、電気化学的触媒反応が起きている電極表面のin situ構造解析を可能にした[1]。本研究では、ドロップセルを用いたin situ時間分解表面X線散乱及びクロノアンペロメトリー法により、Au(111)上に形成したBi UPD層の構造相転移について、構造的及び電気化学的の両観点から、その速度論について詳細に検討した。

論文

Near-edge X-ray absorption fine structure of DNA nucleobases thin film in the nitrogen and oxygen K-edge region

藤井 健太郎; 赤松 憲; 横谷 明徳

Journal of Physical Chemistry B, 108(23), p.8031 - 8035, 2004/06

 被引用回数:46 パーセンタイル:22.58(Chemistry, Physical)

本研究では放射線の標的分子としてDNAを用い、DNA薄膜やAdenine, Guanine, Cytosine, ThymineあるいはUracilといったDNA(RNA)構成塩基薄膜のNEXAFSスペクトルを測定した。これまで幾つかの光吸収スペクトル測定研究が、放射線のトラックエンドで発生する2次電子と同じエネルギー領域の放射光を用いて行われてきた。DNA構成塩基のNEXAFSスペクトルについては、吸収モードが、DNA中での炭素,窒素の周囲の化学的環境に大きく依存し、特徴のある微細構造を吸収スペクトルに与えることが明らかにされた。しかし、DNA及び関連分子の吸収微細構造を与える電子状態を分子軌道法による計算から帰属した例は少ない。そこで本研究では、DNA薄膜及びDNA構成塩基薄膜のNEXAFSスペクトルを測定し、電子状態についての帰属を試みた。さらにピーク強度の入射光偏光依存性から、基板上での核酸塩基分子の自立配向についての知見を得たので、これを報告する。

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