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INTRODUÇÃO AOS MÉTODOS ESPECTROANALÍTICOS – I QUÍMICA ANALÍTICA II EQM5_M1-2017 Classificação dos métodos analíticos CLÁSSICOS E INSTRUMENTAIS Baseados em propriedades físicas (químicas em alguns casos ) Chamados de métodos de via úmida Gravimetria Volumetria Espectrométrico Eletroanalítico Propriedades elétricas Propriedades ópticas Cromatográfico Propriedades mistas Natureza ondulatória da Radiação Electromagnética Radiação eletromagnética, ou luz, é uma forma de energia cujo comportamento é descrito por propriedades tanto de onda quando de partícula. A natureza exata da radiação eletromagnética somente foi esclarecida após o desenvolvimento da mecânica quântica por volta do início do século XX. Propriedades ópticas, como a difração, são melhores explicadas quando a luz é tratada como onda. Muitas interações entre a radiação eletromagnética e a matéria, como absorção e emissão, entretanto, são melhores descritas tratando a luz como partícula ou fóton. c hhE E = energia h = constante de Planck (6,626 . 10-34 J s) n = frequência c = velocidade da luz (2,998 . 108 m s-1) l = comprimento de onda Baixa energia Alta energia Comprimento de onda e Energia Frequência l (m) Energia Nome Uso 1020 a 1021 10-12 Nuclear Raios-g Medicina 1017 a 1019 10-10 Electrónica Raios-X Diagnóstico por imagens 1015 a 1016 10-7 Electrónica Ultra-Violeta Higienização 1013 a 1014 10-6 Electrónica Visível Iluminação 1012 a 1013 10-4 Vibracional Infravermelho Aquecimento 109 a 1011 10-2 Rotacional Microondas Cozimento 105 a 108 102 Rádio Frequência Comunicação Usos da radiação electromagnética Métodos Espectrométricos Os métodos espectrométricos abrangem um grupo de métodos analíticos baseados na espectroscopia atómica e molecular. Espectroscopia é um termo geral para a ciência que estuda a interação dos diferentes tipos de radiação com a matéria. A espectrometria e os métodos espectrométricos se referem às medidas das intensidades da radiação usando transdutores fotoeléctricos ou outros dispositivos electrónicos. • Os comprimentos de onda da radiação electromagnética se estendem dos raios-gama até as ondas de rádio, com aplicações diferenciadas. • Os métodos espectrométricos se baseiam em propriedades ópticas (mesmo que a radiação não seja percebida pelo olho humano), quer sejam de emissão ou absorção de radiação eletromagnética de determinados c.d.o. • Como as interacções da radiacção com a matéria podem ocorrer tanto em nível atómico como em nível molecular, os métodos instrumentais espectrométricos se dividem em 4 classes: • Emissão (emissão atómica) • Luminescência (fluorescência atómica e molecular, fosforescência) • Espalhamento (Raman, turbidimetria e nefelometria) • Absorção (absorção atómica e molecular) Métodos Espectrométricos Tipo de espectroscopia Faixa de comprimento de onda usual Faixa de número de onda usual, cm-1 Tipo de transição quântica Emissão de raios gama 0,005 – 1,4 Å – Nuclear Absorção, emissão, fluorescência e difração de raios-x 0,1 – 100 Å – Elétrons internos Absorção de ultravioleta de vácuo 10 – 180 nm 1x106 a 5x104 Elétrons ligados Absorção, emissão e fluorescência no UV/Visível 180 – 780 nm 5x104 a 1,3x104 Elétrons ligados Absorção no IV e espalhamento Raman 0,78 – 300 mm 1,3x104 a 33 Rotação/vibração de moléculas Absorção de microondas 0,75 – 375 mm 13 a 0,03 Rotação de moléculas Ressonância de spin eletrônico 3 cm 0,33 Spin de elétrons em um campo magnético Ressonância Magnética Nuclear 0,6 – 10 m 1,7x10-2 a 1x10-3 Spin de núcleos em um campo magnético Métodos Espectrométricos Métodos Espectrométricos 250 300 350 400 450 500 550 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 A bs or bâ nc ia (nm) 2 7 5 ,3 3 4 1 ,8 3 9 6 ,1 4 7 4 ,9 5 ABSORÇÃO ATÓMICA: O espectro é em forma de linhas finas devido aos níveis atómicos sem subníveis energéticos. Métodos Espectrométricos Métodos Espectrométricos 350 400 450 500 550 600 650 700 750 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 A b so rv ân ci a (nm)max ABSORÇÃO MOLECULAR: O espectro de absorção é caracterizado por bandas largas devido aos vários níveis e subníveis energéticos dos orbitais moleculares. E0 E1 E2 Electrónica ~ 100 kJ mol-1 UV-Vis Vibracional ~ 1 kJ mol-1 IV Rotacional ~ 0,01 kJ mol-1 RMN Métodos Espectrométricos ✓ Quando as energias envolvidas são altas, por exemplo emissões de Raios-X, as transições electrónicas acontecem com os electrões dos orbitais mais internos e, nestes casos, serão independentes das ligações que os átomos estejam fazendo. ✓ Quando um electrão é excitado a um nível vibracional mais alto de um estado electrónico, a relaxação para um nível vibracional mais baixo desse estado ocorre antes que a transição eletrônica ao estado fundamental possa ocorrer. A razão disso é explicada em termos da transferência do excesso de energia para outros átomos através de uma série de colisões. Métodos Espectrométricos COMPONENTES BÁSICOS DOS EQUIPAMENTOS ✓ Fonte de radiação:* •Lâmpadas de xenônio, deutério, tungstênio, lasers, etc ✓ Selector de comprimento de onda: •Filtros e monocromadores. ✓ Transdutores: •Tubos fotomultiplicadores, fotodiodos, CCD, fotocélulas, etc. * Para algumas técnicas de emissão, serão necessários mais alguns componentes. Métodos Espectrométricos Fonte Seletor de comprimento de onda Fotômetro de feixe único para medidas de absorção na região visível Métodos Espectrométricos Transdutor Fonte Seletor de comprimento de onda Transdutor Espectrofotômetro manual de feixe duplo para medidas de absorção na região UV/Visível Métodos Espectrométricos • Espectrometria de Absorção Molecular na região do ultravioleta/visível. • Espectrometria de Luminescência Molecular. • Espectrometria de Absorção Atômica. • Espectrometria de Emissão Atômica. Métodos Espectrométricos abordados nesta disciplina Região IV médio 25 a 2,5mm Absorção Molecular no UV/Vis Energia crescente Absorção Molecular no UV/Vis Absorção Molecular no UV/Vis Cores primárias Cores secundárias COLORIMETRIA: Um objeto tem a cor correspondente aos comprimentos de onda que ele reflete. Quando falta uma das cores primárias, obtém-se uma cor secundária. As 3 cores secundárias misturadas dão origem ao preto As 3 luzes (cores) primárias quando misturadas dão origem à luz branca. Absorção Molecular no UV/Vis COLORIMETRIA: Um objeto tem a cor correspondente aos comprimentos de onda que ele reflete. Se um objeto é da cor ciano, é porque absorve o vermelho e reflete o azul e o verde. Cor observada Cor absorvida Absorção Molecular no UV/Vis COLORIMETRIA: Um objeto tem a cor correspondente aos comprimentos de onda que ele reflete. Disco de Newton A rotação proporciona a mistura das cores, de modo que enxergamos todos os comprimentos de onda de uma única vez, gerando a luz branca. Cor Observada (nm) Cor Complementar Ultravioleta < 380 - - - Violeta 380 – 420 Amarelo Violeta – azul 420 – 440 Amarelo – laranja Azul 440 – 470 Laranja Azul – verde 470 – 500 Laranja – vermelho Verde 500 – 520 Vermelho Verde – amarelo 520 – 550 Púrpura Amarelo 550 – 580 Violeta Amarelo – laranja 580 – 600 Violeta – azul Laranja 600 – 620 Azul Laranja – vermelho 620 – 640 Azul – verdeVermelho 640 – 680 Verde Púrpura 680 – 780 Amarelo - verde COLORIMETRIA: Um objeto tem a cor correspondente aos comprimentos de onda que ele reflete. Absorção Molecular no UV/Vis • Medidas de absorção da radiacção electromagnética na região do UV/Visível encontram vasta aplicação para identificação e determinação de milhares de espécies inorgânicas e orgânicas. • Os métodos de absorção molecular talvez sejam os mais amplamente usados dentre todas as técnicas de análise quantitativa em laboratórios químicos e clínicos em todo mundo. Absorção Molecular no UV/Vis • Absorção da radiação electromagnética de comprimentos de onda na faixa de 160 a 780 nm. • Comprimentos de onda inferiores a 150 nm são altamente energéticos que levam à ruptura de ligações químicas. • Acima de 780 nm atinge-se o IV próximo, onde a energia, já relativamente baixa, começa apenas a promover a vibração molecular e não mais transições electrónicas. • Devido ao grande número de estados vibracionais e rotacionais, um espectro de absorção no UV/Vis apresenta um formato alargado (banda). Absorção Molecular no UV/Vis Instrumentação: • 1) Fonte de radiacção: lâmpadas de deutério (UV) e tungstênio (vis) ou de arco de xenônio para toda a faixa de comprimentos de onda UV/Vis. • 2) Parte óptica: Instrumentos de feixe simples e duplo. • A diferença consiste basicamente em ter a possibilidade de descontar a perda de potência do feixe que passa pelo solvente (branco) simultaneamente à medida da amostra. • 3) Compartimento para amostra (cubeta): • Deve ter paredes perfeitamente normais (90º) à direção do feixe. • Quartzo (transparente em toda a faixa UV/Vis) • Vidro (somente visível, absorve muito a radiação UV). • Muito frequentemente utilizam-se tubos cilíndricos por questões de economia, mas deve-se ter o cuidado de repetir a posição do tubo em relação ao feixe. • 4) Detectores Transdutores • Dispositivos capazes de converter luz para o domínio elétrico: LDR, fotodiodos, fotocélulas, tubos fotomultiplicadores, CCD, etc. Absorção Molecular no UV/Vis • Fonte de luz • Região UV: 160 a 380 nm • Lâmpada de deutério, xenônio ou vapor de mercúrio Absorção Molecular no UV/Vis Lâmpada de Vapor de Hg Lâmpada de arco de Xenônio Lâmpada de D2 • Fonte de luz • Região Visível: 380 a 780 nm • Lâmpada de filamento de tungstênio • LED coloridos • Lâmpada de xenônio (UV/Vis) Absorção Molecular no UV/Vis Absorção Molecular no UV/Vis Absorção Molecular no UV/Vis Cubetas Absorção Molecular no UV/Vis Como ocorre a absorção da luz? • A absorção de radiação UV ou visível por uma espécie atómica ou molecular pode ser considerada como um processo que ocorre em duas etapas: • M + h M* excitação • M* M + calor (desprezível) relaxação • São três tipos de transições electrónicas: • 1) elétrons p, s e n (moléculas e iões inorgânicos) • 2) electrões d e f (iões de metais de transição) • 3) transferência de carga (complexos metal-ligante) Obs.: Se M* sofrer decomposição ou formar novas espécies, o processo é chamado de reacção fotoquímica e, neste caso, não será possível fazer a quantificação de M. Absorção Molecular no UV/Vis Níveis de energia electrónica molecular. Absorção Molecular no UV/Vis Absorção Molecular no UV/Vis Comprimentos de onda de absorção característicos das transições eletrônicas. Transição Faixa de comprimentos de onda (nm) Exemplos s s* < 200 C–C, C–H n s* 160 – 260 H2O, CH3OH, CH3Cl p p* 200 – 500 C=C, C=O, C=N, C≡C n p* 250 – 600 C=O, C=N, N=N, N=O Absorção Molecular no UV/Vis Cromóforo Auxocromos Espectro UV típico Os máximos de absorção devem-se à presença de cromóforos na molécula. (Temos duas absorções em 190 e 270 nm no espectro da acetona e uma em 510 nm no espectro do complexo [Fe(fen)3] 2+). •Átomo ou grupo de átomos que absorve radiação. •Átomo que não absorve radiação. •Modifica alguma característica da absorção do cromóforo. Espectro Vis típico [Fe(fen)3] 2+ Como melhorar a absorção da luz? • Se o analito M não for uma espécie absorvente ou que tenha uma baixa absorção, deve-se buscar reagentes que reajam seletiva e quantitativamente com M formando produtos que absorvam no UV ou no visível. • Uma série de agentes complexantes são usados para determinação de espécies inorgânicas. • Exemplos: SCN- para Fe3+; I- para Bi3+. • Natureza do solvente, pH, temperatura, concentração de eletrólitos e presença de substâncias interferentes são as variáveis comuns que influenciam o espectro de absorção e, evidentemente, seus efeitos precisam ser conhecidos. Absorção Molecular no UV/Vis Qual a relação entre a absorção e a concentração? Métodos Espectrométricos Potência do feixe incidente Potência do feixe transmitido Caminho óptico Perdas por reflexão e espalhamento com uma solução contida em uma célula (cubeta) de vidro típica. Absorção Molecular no UV/Vis As reflexões ocorrem em qualquer interface que separa os materiais. Como não há como evitar estas reflexões e espalhamentos, torna-se necessário usar a mesma cubeta (ou uma idêntica) nas medidas das várias soluções dos padrões e da solução amostra do analito. Absorção Molecular no UV/Vis Para compensar os efeitos da perda de potência do feixe luminoso ao atravessar o solvente, a potência do feixe transmitido pela solução do analito deve ser comparada com a potência do feixe transmitido em uma cubeta idêntica contendo apenas o solvente. solução solvente solvente solução P P TA P P P P T loglog 0 Se o material de fabricação da cubeta provocar uma diminuição na potência do feixe luminoso, essa diminuição também será compensada. • A lei de Beer-Lambert, também conhecida como lei de Beer- Lambert-Bouguer ou simplesmente como lei de Beer é uma relação empírica que relaciona a absorção de luz com as propriedades do material atravessado por esta. •A lei de Beer foi descoberta independentemente (e de diferentes maneiras) por Pierre Bouguer em 1729, Johann Heinrich Lambert em 1760 e August Beer em 1852. Absorção Molecular no UV/Vis Absorção Molecular no UV/Vis 1 0 0 1 0 loglog I I TA I I P P P P T solvente solução • A expressão final da lei de Beer é A = ebc, a qual pode ser obtida pela integração de: onde S é a área da seção atravessada pela luz e Px é a potencia ao longo do caminho óptico. S dS P dP x x 0 2 4 6 8 10 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 T ra n sm it ân ci a Concentração 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 A bs or bâ nc ia Concentração abcA (g/L) bcA (mol/L) LEI DE LAMBERT-BEER Absorção Molecular no UV/Vis Onde A é a absorvância, a é a absortividade e c é a concentração em g/L Onde A é a absorvância, e é a absortividade molar e c é a concentração em mol/L. kk 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 A bs or bâ nc ia Concentração bcA LEI DE LAMBERT-BEER Absorção Molecular no UV/Vis b é a inclinação de A x C e, portanto, responsável pela sensibilidade analítica. A absorvância aumenta conforme aumenta qualquer um dos três: b ou c Absorção Molecular no UV/Vis Aumento do caminho óptico Absorção Molecular no UV/Vis Aumento da concentração 350 400 450 500 550 600 650 700 750 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 5 ppm 4 ppm 3 ppm 2ppm 1 ppm 0,5 ppm 0,1 ppm A bs or bâ nc ia (nm) 0,0 2,5 5,0 7,5 10,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Fe(SCN) 6 3- A 460 nm C Fe (mg/L) Absorção Molecular no UV/Vis Espectros de absorção do complexo [Fe(SCN)6] 3- para várias concentrações. Com os valores de absorvância no comprimento de onda de máxima absorção (max) constrói-se a curva analítica. • Aplicação da lei de Beer para misturas • A absorvância é uma propriedade aditiva. Assim, a presença de várias espécies absorventes na solução para o mesmo comprimento de onda resultará em uma absorbância maior que para soluções individuais. Contudo não poderá haver interacção entre as várias espécies. • AT = A1 + A2 + ... + An = 1bc1 + 2bc2 + ... + nbcn • Limitações da lei Beer • Poucas excepções são encontradas para a generalização de que a absorvância está relacionada linearmente com o caminho óptico. Por outro lado, são encontrados desvios de proporcionalidade com a concentração quando b é constante. Absorção Molecular no UV/Vis • Limitações reais (fundamentais) da Lei de Beer: • Para soluções com concentrações maiores que 0,01 mol/L, mesmo não sendo da espécie absorvedora, a distância média entre as espécies diminui a ponto de alterar a capacidade das espécies em absorver a radiação, ou seja, diminui o valor de e. • O índice de refração do meio também causam desvios. Assim, se as variações de concentração causam alterações significativas no índice de refração da solução, os desvios da lei de Beer são observados. Quando esse fator é preponderante, uma correção pode ser aplicada, acrescentando à expressão da lei de Beer o termo n/(n+2)2, onde n é o índice de refração. Absorção Molecular no UV/Vis 22 )(n εbcn A • Desvios Químicos Aparentes (limitações químicas) • Desvios aparentes da lei de Beer surgem quando um analito se dissocia, se associa ou reage com um solvente para dar um produto que tenha um espectro de absorção diferente do analito. Um exemplo disto é a mudança de cor de indicadores ácido-base de acordo com o equilíbrio em função do pH. • HIn ⇌ H+ + In- cor 1 cor 2 • ⇩ pH ⇧ [HIn] e vice-versa ⇧ A ou ⇩ A. •Além disso, se ambas as espécies absorverem no mesmo comprimento de onda, poderá haver um desvio positivo ou negativo em função dos valores de HIn e In. Absorção Molecular no UV/Vis • Desvios Instrumentais com Radiação Policromática • A obediência estrita à lei de Beer é observada com radiação verdadeiramente monocromática. Na prática os monocromadores produzem uma banda mais ou menos simétrica de comprimentos de onda em torno daquele desejado. O resultado é um desvio negativo. Absorção Molecular no UV/Vis • Um efeito similar ao da radiação policromática é observado com radiações espúrias. • Estas radiações aparecem em pequenas quantidades no processo de monocromatização por efeitos de espalhamento em várias superfícies internas. • Essas radiações diferem grandemente em comprimentos de onda da radiação principal. • Assim, a presença de radiações espúrias confere igualmente um desvio negativo à lei de Beer. Absorção Molecular no UV/Vis • Desvios Instrumentais com Radiação Espúria Os métodos espectrofotométricos apresentam características importantes: • 1) Ampla aplicação para sistemas orgânicos e inorgânicos; • 2) Limites de detecção típicos de 10-4 a 10-5 mol/L (podem ser melhorados para 10-6 a 10-7 mol/L); • 3) Selectividade de moderada a alta; • 4) Boa exactidão (tipicamente as incertezas são da ordem de 1 a 3%, podendo ser melhoradas a décimos percentuais com alguns cuidados especiais); • 5) Facilidade e conveniência na aquisição de dados. Absorção Molecular no UV/Vis Análise quantitativa: A primeira etapa da análise envolve o estabelecimento das condições de trabalho. • Determinação do(s) máximo(s) de absorção •No máximo de absorção, além da máxima sensibilidade por unidade de concentração, os efeitos de desvios da lei de Beer são menores. Adicionalmente, o ajuste do comprimento de onda é mais reprodutível, não implicando em variações significativas de e e, por consequência, da absorbância. Não é seguro pressupor uma concordância com a lei de Beer e usar apenas um padrão para determinar a absortividade molar. Assim é recomendável a construção das curvas: • Curva analítica, em casos mais simples ou • Adição de padrão, quando a matriz interfere. Absorção Molecular no UV/Vis Exemplo: Para determinar Fe3+ em uma amostra, tomou-se cinco alíquotas de 2,00 mL de uma amostra e transferiu-se para cinco balões volumétricos de 50,00 mL. Em cada balão foram adicionados um excesso do complexante (SCN-) e alíquotas de 5,00, 10,00, 15,00 e 20,00 mL de uma solução padrão de Fe3+, de concentração 5,553 mg/L, completando-se o volume com água destilada. Determine a concentração de Fe3+ na amostra. Vp, mL A 0,00 0,2412 5,00 0,4322 10,00 0,6232 15,00 0,8142 20,00 1,0052 Absorção Molecular no UV/Vis Um bom procedimento de adição de padrão consiste em adicionar quantidades do padrão bem próximos da quantidade do analito na alíquota da amostra. Assim, os efeitos da matriz sobre o analito da amostra também serão sentidos pelo analito proveniente do padrão. Uma regra simples consiste em adicionar o padrão em quantidades ½x, x, 2x da quantidade estimada do analito. Adicionalmente pode-se incluir mais alguns pontos ¾x, 1,5x e 3x. Exemplo: Analisando o valor encontrado, pode-se observar que o procedimento de adição de padrão atendeu a recomendação. Admitindo-se que a estimativa da concentração do analito seria 1 mg/L, as adições foram ½x, x, 1,5x e 2x. C, mg/L A 0,000 0,2412 0,555 0,4322 1,111 0,6232 1,666 0,8142 2,221 1,0052 Absorção Molecular no UV/Vis Cd = 0,2412/0,344 Cd = 0,7012 mg/L ½x x 1,5x 2x Exercício: • Uma solução padrão foi adequadamente diluída para fornecer as concentrações de ferro mostradas na tabela a seguir. O complexo Fe(II)/1,10-fenantrolina foi formado em alíquotas de 25,00 mL dessas soluções, que foram em seguida diluídas a 50,00 mL. As absorvâncias, medidas em 510 nm em células de 1,00 cm, estão mostradas na tabela a seguir. • As leituras de absorvâncias de soluções-amostras, preparadas a partir de 10,00 mL de amostras originais diluídas em balões de 50,00 mL, onde foi adicionado o agente complexante, foram: 0,143, 0,068, 0,675 e 1,512. • Determine as concentrações de Fe2+ nas amostras originais e discuta se as absorvâncias são adequadas para a faixa de trabalho. Absorção Molecular no UV/Vis Exercício: Absorção Molecular no UV/Vis [Fe2+], ppm 4,00 10,00 16,00 24,00 32,00 40,00 [[Fe(fen)3] 2+], ppm Absorbância 2,00 0,164 5,00 0,425 8,00 0,628 12,00 0,951 16,00 1,260 20,00 1,582 Preparar a tabela de C x A Concentrações das soluções-padrão Concentrações dos complexos formados e leituras de absorvância Exercício: • Traçar o gráfico da concentração do complexo versus absorvância, verificar FLT e determinar a equação da recta. Absorção Molecular no UV/Vis 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Y = A + B * X Parameter Value Error -------------------------------- A 0,01478 0,00997 B 0,07812 8,175E-4 -------------------------------- R SD N P -------------------------------- 0,99978 0,01244 6 <0.0001 -------------------------------- A b s o rb â n c ia [[Fe(fen) 3 ] 2+ ], ppb 22 2 )( )(1 xxByy NB s s i r x 5,23107812,0 )835,0( 6 1 07812,0 01244,0 2 2 x y sx 5,231)( 2 22 N x xxx ii i 835,0 N y y i Exercício: • A partir do gráfico construído e dos valores obtidos pela regressão linear, pode-se determinar as concentrações de Fe2+ nas amostras de uma maneira rotineira, bastando que as amostras não apresentem interferências de matriz. • A equação obtida da regressão é: A = 0,07812 [Fe(fen)3] + 0,01478 • As leituras de 0,143 e 0,068 estão abaixo do primeiro ponto da curva e portanto não estão adequadas para curva traçada. Observe: • 0,068 [Fe(fen)3] = 0,681 ppm s = 0,122 ppm 17,9% • 0,143 [Fe(fen)3] = 1,64 ppm s = 0,11 ppm 6,7% • Os outros dois valores estão adequados e a concentração para cada um deles é: • 0,675 [Fe(fen)3] = 8,45 ppm s = 0,068 ppm 0,8% • Diluição 5x [Fe2+] = 42,25 ± 0,34 ppm • 1,512 [Fe(fen)3] = 19,17 ppm s = 0,11 ppm 0,6% • Diluição 5x [Fe2+] = 95,85 ± 0,55 ppm Absorção Molecular no UV/Vis
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