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Espectroscopia Atómica (AA y EA)
Queremos llevar a la muestra a un estado atomizado (veo elementos).
Atomización: una importante fracción de los constituyentes se transforman en átomos gaseosos; una cierta
fracción de esos átomos se ionizan, originando así una mezcla gaseosa de átomos e iones elementales (le
damos energía para que pase de un estado molecular o iónico a un estado atómico y gaseoso).
Excitación y medición: la muestra atomizada es excitada y se mide la intensidad de luz emitida o absorbida,
dependiendo de la fuente de excitación.
Espectroscopia de Absorción Atómica (EAA)
Consiste en una metodología basada en el estudio de la interacción de una radiación electromagnética
dada, en este caso la absorción, con una especie atómica en estado fundamental (energético y cero en su
estado de oxidación) y de estado de agregación gaseoso.
Debo entregar energía (radiación) a la muestra y captar cuánto de esa energía entregada fue tomada por la
muestra y vemos luz transmitida; llevar la muestra a un estado fundamental atómico (entregándole energía), y
se lo lleva a un estado gaseoso y cero. En la absorción/emisión de moléculas se obtienen espectros de bandas
anchas en lugar de líneas ya que la irradiación de moléculas no sólo implica transición electrónica sino también
fenómenos de vibración y rotación molecular que dan lugar a una combinación compleja de líneas solapadas.
A diferencia de las espectroscopias moleculares (por ejemplo, UV-Vis, fluorescencia, fosforescencia, etc.), las
espectroscopias atómicas (por ejemplo, de absorción EAA, de emisión EEA o de fluorescencia EFA) las
transiciones energéticas se manifiestan experimentalmente en formas de líneas idealmente discretas y no
como bandas de absorción y/o emisión. Es decir que los electrones atómicos interaccionan con la radiación
electromagnética absorbiendo su energía (por un proceso de resonancia) desde un estado basal a un excitado
en un proceso cuantizado (en un rango muy acotado).
Este proceso de absorción/emisión atómica da lugar a que los espectros de absorción/emisión en función de la
longitud de onda constan de líneas muy estrechas (2 a 5 pm de ancho) y no de bandas. Además, este patrón de
líneas responde a las transiciones que puedan ocurrir en los electrones atómicos los cuales son característicos
de la configuración electrónica de cada elemento. Por lo tanto, podemos deducir que la EEA y, más aún, la EAA
son técnicas muy específicas ya que la probabilidad de superposición de líneas entre diferentes elementos es
muy baja.
Aplicaciones principales: determinación cuantitativa de precisión y de alta sensibilidad de elementos en
muestras líquidas o sólidas, especialmente de metales y metaloides. También puede aplicarse para el estudio
cualitativo o de identificación aprovechando la elevada sensibilidad y especificidad del método. Da
información de a un compuesto a la vez, produciendo la absorción de la línea atómica característica.
Usos: van desde el análisis clínico y/o toxicológico de metales en fluidos biológicos y tejidos como sangre
entera, plasma, orina, saliva, órganos, etc como en procesos de manufactura de la industria farmacéutica y en
bromatología para el análisis nutricional o toxicológico de alimentos.
Análisis: Los límites de detección y cuantificación son generalmente bajos, de ppm a ppt inclusive. Alta
sensibilidad para análisis cualitativo; para análisis cuantitativo es rápido y fiable (en algunos casos de alta
sensibilidad).
Limitaciones:
1. Se utiliza una fuente de radiación específica para cada analito, por lo que no es posible el estudio
simultáneo de varios elementos.
2. En cuanto a la muestra la principal limitante es la matriz en la cual se encuentra el analito, por lo que si
la presencia de materia orgánica es significativa (tanto para muestras sólidas como líquidas) será
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necesario una digestión física o química (mineralización) para eliminar la materia orgánica que puede
interferir.
3. No se puede analizar ni oxígeno, ni azufre ya que no se atomizan de una manera eficiente (son
inestables) y no se pueden medir con precisión.
Equipo
Componentes:
✔ Fuente de radiación: son muy específicos ya que las líneas de absorción son considerablemente
estrechas y las energías de transición son únicas para cada elemento. La relación entre la radiación
emitida y la que llega al detector, expresada como absorbancia, es el parámetro que se utiliza para
conocer la concentración de analito en la muestra.
▪ La fuente más utilizada es la lámpara de cátodo hueco (LCH). La LCH consiste en un cátodo
elaborado a partir del mismo metal cuyo espectro se quiere determinar (o las multielementos),
y tanto éste como el ánodo se colocan en un cilindro de vidrio que contiene un gas inerte
(Argón). Se aplica una diferencia de potencial entre los electrodos que produce la ionización del
gas inerte. Los cationes gaseosos adquieren la suficiente energía cinética como para arrancar
alguno de los átomos metálicos en la superficie del cátodo produciendo una nube atómica
excitada. Emite en la línea del elemento. Las LCH dan selectividad ya que se eligen según el
elemento a medir,
tienen una mayor
vida útil que las
multielementos y
mayor sensibilidad. La
resolución y
selectividad de LCH se
recuperan por el
medio de detección.
▪ También está la EDL (lámpara de descarga sin electrodo; electrodeless discharge lamp) que
produce el mismo efecto que las LCH pero al tener más intensidad (por las radiofrecuencias)
resulta más sensible para algunos elementos aunque tiene una menor vida útil (porque aplico
más corriente).
▪ La lámpara de xenón de arco corto consiste en gas Xe y dos electrodos entre los cuales se aplica
una diferencia de voltaje de radiofrecuencias y genera un pequeño espectro de emisión en
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simultáneo (se setea la longitud de onda que se quiere). La resolución y selectividad se
recuperan por el medio de detección
▪ Red de difracción en escalera: Es una fuente continua, da haces de luz, detecta
simultáneamente diferentes λ cercanas.
✔ Atomizador y muestra: Se ubican entre la fuente de radiación y el sistema de dispersión óptica.
La muestra puede introducirse de forma líquida como sólida, siendo la primera la más utilizada. Existen
diferentes tipos de formas de introducción de muestra según la naturaleza de la misma.
❖ Muestras líquidas (o disoluciones): Nebulizadores; Inyectores automáticos; Generador de hidruros
(para analitos que generan hidruros volátiles como la arsina AsH3).
❖ Muestras sólidas: Manual; Nebulizador; Arco o chispa; Ablación Láser; Descarga luminiscente.
Las técnicas más comunes para la introducción son el nebulizador donde la muestra es aspirada por presión
negativa o positiva desde un reservorio hacia el sistema de atomización (especialmente atomizador de llama) y
la inyección automática donde una alícuota de muestra (pocos microlitros) es tomada por una pipeta
automática y depositada en el atomizador (especialmente atomizador electrotérmico).
El atomizador es un componente esencial y característico de la EAA ya que es donde el analito contenido en la
muestra es calentado a una temperatura específica en la cual pasa a estado de oxidación cero formando una
nube atómica capaz de absorber la radiación proveniente de la LCH. Los dos métodos más utilizados para la
atomización son el atomizador de llama(FAAS) y el electrotérmico (horno de grafito).
Tipos de atomizadores
1) Atomizador continuo → Primero se hace la disolución del analito y esta se convierte en una niebla de
pequeñas gotas finamente divididas mediante un chorro de gas (nebulización), el flujo de gas
transporta a la muestra a una región calentada donde tiene lugar la atomización. Por la temperatura se
evapora el solvente y me queda un aerosol sólido/gas (volatilización) dando lugar a la desolvatacion y
disociación de la muestra. Con la energía dada los elementos van a pasar a estado atómico y por
estabilidad a iones atómicos. Según como pasa la muestra a estado atómico:
- FAAS (absorción atómica por llama): Utiliza una llama parala atomización de la muestra (por medios
caloríficos las moléculas, átomos e iones pueden excitarse produciendo espectros de emisión molecular
y atómicos, llea). Consiste en un nebulizador neumático que transforma una disolución de la muestra
en un aerosol que luego se introduce en un quemador (llama); esto lo hace a través de una corriente de
gas oxidante mezclada con combustible que va por un drenaje a la llama y la muestra (con sales,
átomos y iones) dentro de la misma, debe ser irradiada a una determinada longitud de onda. En la
señal obtenida mido la altura del pico. El analito solo puede absorber la radiación proveniente de la
LCH si éste alcanza el estado atómico o estado
elemental. Hay varios sectores dentro de la
llama, en el sector medio la eficiencia de la
llama es superior; según la mezcla de
combustibles y oxidantes tendré temperaturas
óptimas de nebulización (dependerán del
elemento a medir). Hay poca residencia de los
átomos (< seg) haciendo una baja precisión,
debo aumentar el límite de detección (en ppb).
Hay una dispersión muy grande porque debo
aumentar los niveles de muestra para aumentar
la precisión; pero la eficacia de los procesos de
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nebulización-quemado es baja lo cual lleva a una baja sensibilidad en la determinación con cantidades
de muestra relativamente grande.
Cuando una muestra líquida es introducida en el sistema de atomización la absorbancia a la longitud de
onda seleccionada comienza a aumentar hasta alcanzar un nivel estable donde se registra la lectura.
Dicha absorbancia cumple la Ley de Beer por lo que es proporcional a la concentración.
La temperatura de atomización de cada elemento es otra característica específica del mismo por lo que
para tener buena eficiencia de atomización y, por lo tanto, buena sensibilidad se debe utilizar una
mezcla de gases de combustión apropiada para dicho metal.
Limitación: utiliza mucho volumen de muestra. Se puede regular la temperatura de la llama, su forma y
su posición respecto a la radiación incidente (debe pasar por el centro).
2) Atomizador discreto → Generan una atomización controlada ej. Horno de grafito por método
electrotérmico. La desolvatacion se lleva a cabo al aumentar la temperatura hasta el valor en el que
tiene lugar la evaporación rápida del disolvente, a continuación la temperatura del aparato se aumenta
drásticamente de tal forma que las otras etapas de la atomización ocurren rápidamente. La señal
espectral adquiere la forma de un pico definido y su intensidad se puede medir en altura o área.
- ETAAS (atomización por horno de grafito o
electrotérmica): Utiliza un horno de grafito cilíndrico
calentado eléctricamente (temperatura controlada)
para la atomización de la muestra, donde se irradia con
un Haz de radiación. Al aplicarse una diferencia de
potencial, la resistencia del grafito a la circulación de
corriente incrementa la temperatura del mismo de
manera directa según el nivel de voltaje aplicado
(efecto Joule). Dicho horno posee una estructura
cilíndrica hueca donde la muestra es depositada y el
haz proveniente de la LCH puede pasar y ser absorbida.
El calentamiento es gradual, con cuatro etapas: 1)
Secado: se produce la desolvatación de la muestra
(evaporación del solvente, ya que viene de un estado
líquido) quedando la materia sólida; 2) Ceniza
(pirrólisis): se elimina la materia orgánica, la matriz
orgánica e inorgánica del soluto y solo quedan sales y
óxidos (cenizas). Importante para minimizar las
interferencias. OJO con elementos volátiles (puedo usar
un modificar de matriz para evitar que se volatilice); 3)
Atomización: los átomos pasan al estado fundamental
absorbiendo la radiación (acá no hay flujo de gas
interno); 4) Limpieza: se eleva aún más la temperatura
para quitar cualquier resto de la muestra.
En las dos primeras etapas interviene una corriente interna de un gas inerte que evita las posibles reacciones
de oxidación; también existe una corriente interna de gas (gas interno) para la limpieza del horno entre
muestra y muestra. Además hay una corriente externa de gas inerte (gas externo) que envuelve al horno
evitando que éste se ponga en contacto con el aire ambiental durante su calentamiento, porque provocaría su
incineración. Algunos hornos incorporaron una base de grafito dentro de éste donde se deposita la muestra
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permitiendo que el aumento de temperatura en la muestra esté retrasado respecto al de las paredes
aumentando su eficiencia y reproducibilidad de mediciones.
Ventajas del horno de grafito:
1. La temperatura puede controlarse con el voltaje aplicado.
2. Se puede realizar rampas de temperatura útiles para la eliminación de solventes e interferencias.
3. La transferencia de calor desde las paredes del horno a la muestra es más homogénea por lo que
mayor cantidad de átomos llegan a estado fundamental y pueden absorber la radiación.
4. La geometría interna retiene la nube atómica aumentando la probabilidad de absorción.
5. Requiere muy poca muestra para trabajar.
6. Tecnica altamente sensible, ya que aumenta el tiempo de residencia de los átomos en el paso óptico (≈
seg, lo que aumenta la precisión y permite disminuir los límites detección).
7. permite una atomización completa y rápida
Las características mencionadas hacen de la atomización electrotérmica un método más sensible en
comparación al método de llama pudiéndose medir comúnmente en el orden de las ppb o ppt (trazas).
Además, esto permite trabajar con menor cantidad de muestra, en el rango de µL
El ETAAS no tiene reproducibilidad a lo largo de toda su vida útil (se pueden usar tubos de grafitos con
plataforma para mejorar esto). Hay mayor precisión por los tiempos de residencia del segundo pero su rango
lineal es muy corto (ley de lambert y beer), aunque se requiere poca muestra. Hay dos formas de entrega de
energía a)longitudinal y b)transversal
- AAS-HVG (Ge, As, Se, Sn, Sb, Te, Pb, Bi): Aumenta la sensibilidad generando hidruros metálicos, que
pueden ser volatilizados más eficientemente (especies volátiles reducidas). La formación de hidruros es
por reacción con NaBH4/HCl y son arrastrados al atomizador por un gas inerte. permite eliminar
interferencias.
- Vapores fríos: ej. Hg, el mercurio por reducción con Sn/H+, se lleva a Hg° y se bombea ya atomizado en
una cuba; se mide directamente sin necesidad de aumentar la temperatura. OJO con compuestos
organometalicos por toxicidad.
✔ Sistemas de dispersión óptica: se utiliza un monocromador para seleccionar la longitud de onda de
absorción a determinar. Existen tanto equipos de simple haz como de doble haz, en los de doble haz las
variaciones de radiación de la fuente entre lecturas son eliminadas.
✔ Detector (detector fotomultiplicador): se usa un fotomultiplicador, cuantifica cuantos fotones llegaron
al detector respecto a los irradiados (luz transmitida)
✔ Sistema procesador de datos e instrumento de lectura
Interferencias
Interferencias espectrales
Se producen cuando la absorción o emisión de una especie interferente se solapa o aparece muy próxima a la
línea de absorción de la especie en estudio, de manera que no puede resolverse en el monocromador. La
probabilidad de que otro elemento atómico interfiera en el espectro es baja debido a que las líneas de
emisión-absorción son estrechas, pero la presencia de absorción inespecífica por elementos de la matriz o por
elementos que se forman durante el proceso de atomización da lugar a bandas más complejas. Ej.: en la
determinación de bario utilizando llama en mezclas de metales alcalinotérreos la línea del bario que se utiliza
para el análisis aparece en el medio de una banda ancha de CaOH. Esta interferencia puede eliminarse si en
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lugar de aire en la llama se utiliza óxido nitroso que descompone al CaOH. También las interferencias se puede
dar por la presencia de otros productos en la muestra (por malas pirolisis, óxidos termoestables).
La interferencia más común es la presencia de materia orgánica que persiste aún hasta la etapa de
atomización y, que al poseer bandas de absorción, es muyprobable que estas se superpongan con la línea del
analito generando una absorción inespecífica.
Si un átomo en estado fundamental absorbe un fotón en el atomizador puede relajarse inmediatamente
emitiendo nuevamente un fotón que llega al detector. Esto generaría un incremento en la intensidad de luz
que llega al detector y, por lo tanto, un error por defecto. Para prevenir este tipo de error se aplica un
modulador de la radiación (conocido como obturador o chopper) antes del atomizador para que module la
señal. La otra “señal” generada por la muestra relajándose no será modulada y el detector, que solo registra
radiación modulada, no alterará la lectura ni se genera un error por defecto.
Métodos de corrección:
● Corrección de dos líneas: para mejorar la medida analítica, se coloca un obturador o chopper que
modula la radicación proveniente de la LCH (emisión continua con pulso continuo), por lo tanto la
radiación modulada que atraviese la muestra generará emisión modulada que llegará al detector. Es
decir que toda la radiación no modulada que llegue a éste provendrá de interferencias espectrales.
También se puede lograr con pulsos de la LCH. Utiliza una línea que proviene de la fuente de radiación
como referencia. La línea de referencia puede deberse a una impureza en el cátodo de la lámpara o a
una línea del neón o argón que contiene la lámpara. Esta línea debería estar lo más próxima posible a la
línea del analito, pero no debe ser absorbida por este.
● Utilización de una fuente continua: Se utiliza la lámpara de deuterio como fuente de radiación
continua en la región del UV (emite en todo un ancho de banda). La radiación de la fuente continua y la
LCH pasan alternadamente a través del atomizador. La absorbancia de la radiación de deuterio se resta
entonces de la del haz del analito. La anchura de rendija se ajusta con un ancho suficiente para que la
fracción de radiación de la fuente continua que se absorbe por los átomos de la muestra sea
despreciable. Por tanto, la atenuación de la potencia de la radiación continua durante el paso a través
de la muestra atomizada indica solamente la absorción de banda ancha o la dispersión producida por
los componentes de la matriz de la muestra. De esta forma se consigue una corrección del fondo. La
configuración del obturador se modifica para que la radiación de la fuente continua y la de la lámpara
de cátodo hueco pasen alternadamente a través del atomizador de tubo de grafito. La absorbancia de
la radiación de deuterio se resta entonces de la del haz del analito.
● Corrección de fuente de autoinversión: se basa en la autoinversión o autoabsorción, comportamiento
de la radiación que emiten las lámparas de cátodo hueco cuando se les aplican corrientes elevadas. Las
corrientes elevadas producen una gran concentración de átomos no excitados, los cuales son capaces
de absorber la radiación emitida por las especies excitadas. Un efecto adicional de las corrientes
elevadas es el gran ensanchamiento que originan en las bandas de emisión de las especies excitadas. El
efecto neto produce una banda con un mínimo en su centro, que corresponde exactamente a la
longitud de onda del pico de absorción. A fin de obtener absorbancias corregidas, se programa la
lámpara para funcionar alternadamente con bajas y altas corrientes. La absorbancia total se obtiene
cuando se opera a bajas corrientes, y la absorbancia debida al fondo resulta de las medidas en la
segunda parte del ciclo, cuando la radiación en el pico de absorción está en un mínimo. El sistema de
tratamiento de datos resta entonces la absorbancia del fondo de la total para obtener un valor
corregido.
● Corrección por efecto Zeeman (más eficiente, más precisa y más cara): Se coloca un imán sobre la
muestra (o lámpara), y se aplica un campo magnético, la línea de absorción del analito es desdoblada
en dos poblaciones satélites (sigma) y una central (π) que exhiben polarización a la luz. La componente
π es polarizada paralela al campo magnético y las componentes sigmas son polarizadas
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perpendiculares al campo. Un polarizador es posicionado en el sistema óptico para remover la
componente en π de la radiación transmitida, por lo tanto la medida de fondo puede ser hecha a la
exacta línea del analito cuando el campo magnético es aplicado. Cuando está apagado ocurre la
medición de la absorvancia de la matriz y el analito. La diferencia dará la absorción verdadera del
analito.
Interferencias Química
Las interferencias químicas se deben a diversos procesos químicos que pueden ocurrir durante la atomización
y que alteran las características de absorción del analito. La causa más común de este tipo de interferencias es
la presencia en la muestra de aniones que forman con el analito compuestos que no se disocian a la
temperatura de atomización, disminuyendo por tanto la eficiencia de atomización.
Se dan por compuestos de baja volatilidad (alta también puede perjudicar), disociación/asociación de
compuestos y por la ionización cuando disminuyen la cantidad de átomos que se generan en mi sistema (no
permiten asegurar la disociación y atomización completa de los compuestos). En general se solucionan
utilizando modificadores de matriz durante las determinaciones.
Ej.: altos niveles de fosfato durante las determinaciones de Ca llevan a la formación de complejos estables de
fosfato de calcio disminuyendo las lecturas. Se utiliza un buffer con lantaño que forma complejos más estables
con el fosfato, dejando libre al calcio para su medición. Otro es el caso del aluminio que es muy estable
térmicamente y no se atomiza a las temperaturas del horno, por lo que se forman sales con agregado de HNO3
(nitratos) y éstos se atomizan (homogeiniza). El HNO3 mineraliza, disgrega la materia orgánica.
Modificadores de matriz
En horno de grafito para mejorar los perfiles de atomización (mido a mi analito a la temperatura que me sirva
de una manera homogénea), puedo usar estabilizadores térmicos que dan sales estables térmicamente; otros
que aumenten la tendencia a atomizarse de un elemento; como dadores de electrones, etc.
Espectroscopia de Emisión Atómica (EEA)
Mide cuánta energía emite la muestra. Los iones o átomos en estado gaseoso, cuando se excitan térmica o
eléctricamente, emiten una radiación característica (proporcional a la cantidad de átomos excitados), que
puede ser medida y utilizada para el análisis cuali-cuantitavo.
Aplicaciones: análisis cuali/cuantitativos de muchos elementos por emisión de luz de estados electrónicos
excitados atómicos.
Análisis: análisis cualitativo para elementos metálicos (puedo hacer análisis simultáneos); en análisis
cuantitativos también para todos los metales (en algunos casos con alta sensibilidad). Mide 0,25-2g en 5-10ml
de solución (ppm).
Limitaciones: sensibilidad limitada para los halógenos y otros no metales. La mayoría de las muestras orgánicas
líquidas y sólidas requieren de digestión antes del análisis.
Equipo
Partes:
✔ Sistema de introducción de muestra y
atomización
✔ Sistema óptico de dispersión
✔ Detector
✔ Base de adquisición de datos
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No necesito una fuente ya que la excitación va a estar dada por la llama, por eso se busca que la llama sea tan
energética para llevar a la molécula a un estado excitado y va a emitir a una longitud de onda característica
(espectro de emisión). Puedo analizar una línea o múltiples líneas (manera más selectiva de análisis)
La selectividad de la técnica está dada por el monocromador.
Técnicas
● Fotometría de llama: La fuente de energía de excitación es una llama de menor energía, que produce
espectros más sencillos y es aplicable a pocos elementos. Existen instrumentos de análisis simultáneo
de varios elementos (Na, Li, K), se utiliza un filtro para cada elemento y se analiza una sola línea del
espectro de emisión. Se necesita de combustible (metano) y aire del ambiente, se genera una llama
donde se logra atomizar los elementos.
● Fluorescencia atómica: la fuente es radiación electromagnética. Se irradia a la muestra con una lámpara
deenergía y la muestra la emite cuando se relaja y da su espectro de absorción característico de
fluorescencia.
● Espectroscopia de emisión: la fuente es por llama o electrotermicamente, el cual puede ser acoplado a
AA
● ICP: la fuente es un plasma; corrientes de argón sometidas a altas temperaturas y aplicando
radiofrecuencias (pulsos), en donde el plasma genera estados de alta energía donde los átomos son
más eficientemente atomizados y producen su espectro de emisión y algunos se ionizan y se pueden
direccionar a un espectro de masa (dando información isotópica y mayor sensibilidad que ETAAS, tiene
una baja vida útil de detectores y limita el análisis de no metales); > sensibilidad. Puede determinar
simultáneamente varios elementos. El tubo de gas Ar debe ser recambiado frecuentemente, es muy
costoso y se suele utilizar para multielementos; como ventajas tiene un rango lineal amplio,
sensibilidad intermedia entre FAAS y ETAAS, interferencias mínimas gracias al plasma, una buena
precisión y alta eficiencia de atomización y ionización.
● Fluorescencia de RX: la fuente es RX
Comparación EAA y EEA
En EAA se obtienen espectros más sencillos que para EEA y existe una menor posibilidad de sufrir interferencias
espectrales debido a líneas coincidentes. EAA es una técnica más eficiente y de mayor sensibilidad ya que la población de
átomos en estado fundamental capaces de absorber la radiación incidente es mayor que la población de átomos
excitados luego de un proceso de irradiación. Por otro lado la capacidad cualitativa del EAA es nula.
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