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CN118032892B - 用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器的制备方法 - Google Patents

用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器的制备方法 Download PDF

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CN118032892B CN202410163381.9A CN202410163381A CN118032892B CN 118032892 B CN118032892 B CN 118032892B CN 202410163381 A CN202410163381 A CN 202410163381A CN 118032892 B CN118032892 B CN 118032892B
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Abstract

本发明提供一种用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器的制备方法,涉及电化学传感器技术领域。本发明提供的方法,在碳电极表面电化学沉积普鲁士蓝纳米颗粒作为敏感层,在其上电聚合对丝氨酸特异性识别的印迹聚合物层,丝氨酸在印迹聚合物层的选择性结合可以减少敏感层与电解质溶液的接触,降低其氧化还原峰电流的大小,峰电流的降低与丝氨酸浓度对数值呈一定的线性关系,以此实现对丝氨酸的检测。该用于丝氨酸检测的柔性传感器,选择性佳、灵敏度高、稳定性好。

Description

用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器的制备方法
技术领域
本发明涉及电化学传感器技术领域,尤其涉及一种用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器的制备方法。
背景技术
丝氨酸是一种具有高度活性的氨基酸,它在脂肪和脂肪酸的新陈代谢及肌肉的生长中发挥着作用,并且丝氨酸有助于免疫血球素和抗体的产生,所以其在维持健康的免疫系统方面扮演者重要的角色。此外丝氨酸在细胞膜的制造加工、肌肉组织和包围神经细胞的鞘的合成中都发挥着作用。磷酸甘油酸脱氢酶缺乏症是一种病理状况,其生化特征为血浆和脑脊液中丝氨酸的水平降低,临床上表现为严重的神经功能障碍。此外,由于丝氨酸参与了体内血清素的合成,体液中丝氨酸水平较低的个体也可能经受着慢性疲劳综合症的困扰,合理的摄取丝氨酸有助于降低环境性神经退行性疾病的风险和提高机体对抗慢性疲劳综合症的能力。因此,需要一种可用于丝氨酸水平快速、准确、灵敏检测的方法。
目前用于丝氨酸检测的方法主要包括高效液相色谱法、茚三酮法、荧光淬灭法,酶反应法、纸层析-分光光度法等。这一类方法通常需要笨重且昂贵的测试仪器,此外,这些检测方法在代谢物分析之前需要对采集的样本进行样品纯化、提取和分析物预浓缩等步骤,以便将生物样品转化为更适合分析仪器检测的状态,耗费时间长、步骤繁琐还需要专业人员的操作,无法小型化,便携化。
电化学传感器具有灵敏度高、选择性好、实时检测和分析等优点,基于丝氨酸的电化学传感器以实现丝氨酸的简便、快速、灵敏、特异性检测具有较大的实际应用价值,然而由于丝氨酸不具有电化学活性,目前仍未能提出一个较完善的丝氨酸传感器制备方法。
发明内容
鉴于上述问题,本发明提供了一种用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器的制备方法,可以实现对丝氨酸精准、灵敏、简易地测定。本发明在常用碳电极表面通过电沉积普鲁士蓝作为敏感层,并且在普鲁士蓝敏感层上电聚合一层对丝氨酸具有高选择性的聚合物薄膜,丝氨酸选择性地和聚合物薄膜内的空腔结合,阻碍敏感层与电解质溶液的接触,降低其氧化还原峰电流,以此实现丝氨酸的特异性检测,在外加电压作用下,普鲁士蓝层氧化还原峰电流下降的电流值与丝氨酸浓度的对数值成正比,可实现丝氨酸的高选择性、快速地检测。
为达到上述目的,本发明提供的用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器的制备方法,包括:
步骤S1,对柔性衬底进行超声清洗;
步骤S2,在清洗后的柔性衬底上制备含有目标图案的电极阵列;
步骤S3,硫酸活化电极阵列中的工作电极部分;
步骤S4,在工作电极部分电沉积普鲁士蓝层,得到稳定的普鲁士蓝层;
步骤S5,将沉积有普鲁士蓝层的工作电极部分置于以丝氨酸作为模板分子的电化学聚合液中电聚合,使得工作电极区域继续覆盖内含模板分子的电聚合膜;
步骤S6,通过洗脱剂脱出电聚合膜中的丝氨酸,得到可以特异性识别丝氨酸的分子印迹丝氨酸传感电极;
步骤S7,对分子印迹丝氨酸传感电极中的电极区域不做任何处理,即可作为对电极;
步骤S8,在分子印迹丝氨酸传感电极中的参比电极区域电沉积银;
步骤S9,使用氯化铁溶液将参比电极区域的含银部分进行氯化,得到银/氯化银电极;在银/氯化银电极表面涂覆参比电势稳定膜,过夜干燥后得到银/氯化银参比电极,将银/氯化银参比电极、分子印迹丝氨酸传感电极、对电极一同组成用于丝氨酸电化学检测的敏感电极阵列。
可选地,在步骤S1,柔性衬底的材料选择聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷。
可选地,在步骤S2,含有目标图案的电极阵列通过以下方式来制备:在清洗后的柔性衬底上旋涂碳油墨,干燥后激光雕刻,得到含有目标图案的电极阵列。
可选地,在步骤S2,含有目标图案的电极阵列通过以下方式中的任意一种来制备:在聚酰亚胺衬底上激光刻蚀石墨烯;在柔性衬底上热蒸镀铬/金;在柔性衬底上丝网印刷碳油墨电极。
可选地,在步骤S4,电沉积的方式为循环伏安法,扫描速度为10~200mV/s,扫描范围为−0.2~0.6V,扫描20圈,重复扫描2~5次。
可选地,在步骤S5,电化学聚合液的成分为吡咯、3-氨基苯基硼酸和丝氨酸,溶剂为磷酸盐缓冲液;电聚合的方式为循环伏安法,扫描速度为50mV/s,扫描范围为0~1V,扫描5~20圈。
可选地,在步骤S6,洗脱剂的成分为甲醇、乙酸,甲醇和乙酸的体积比为3:7,浸泡时间为6~12h,以保证丝氨酸的完全脱出。
可选地,在步骤S8,电沉积银采用多电流沉积模式,依次在−0.01 mA电流下沉积150 s、在−0.02 mA电流下沉积50 s、在−0.05 mA电流下沉积50 s、在−0.08 mA电流下沉积50 s和在−0.1 mA电流下沉积350 s。
可选地,在步骤S9,氯化铁溶液的浓度为0.1M;参比电势稳定膜为氯化钠、聚乙烯醇醛、聚(乙二醇)-嵌段-聚(丙二醇)-嵌段-聚(乙二醇)以及多壁碳纳米管的混合物。
可选地,该方法还包括:使用用于丝氨酸电化学检测的敏感电极阵列,对丝氨酸进行线性扫描伏安法测定。
与现有技术相比,本发明提供的用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器的制备方法,至少具有以下有益效果:
(1)本发明所采用的衬底具有一定的柔韧性,可弯曲贴合于皮肤,且传感器尺寸小,方便携带,可进一步用于丝氨酸浓度的穿戴式检测;
(2)本发明利用普鲁士蓝纳米颗粒作为敏感层、分子印迹聚合物膜作为特异性识别层,实现了无电化学活性的生物小分子—丝氨酸的电化学检测;
(3)所述的制备方法具有一致性好、成本低廉、易于大规模生产等优势;
(4)该传感器性能稳定、且具有较高的选择性、宽的线性范围,无需对采集的样本进行样品纯化、提取和预浓缩等繁琐的步骤。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述,本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚,在附图中:
图1示意性示出了根据本发明实施例的用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器的制备方法的流程图;
图2示意性示出了根据本发明实施例制得的用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器对不同浓度丝氨酸的测定结果;
图3示意性示出了根据本发明实施例制得的用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器的LSV响应值与丝氨酸浓度对数值的线性关系图;
图4示意性示出了根据本发明实施例制得的用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器对常见干扰物的响应对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例,而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在,但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义,除非另外定义。应注意,这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义,而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
图1示意性示出了根据本发明实施例的用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器的制备方法的流程图。
如图1所示,根据该实施例的用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器的制备方法,可以包括步骤S1~步骤S9。
步骤S1,对柔性衬底进行超声清洗。
可选地,柔性衬底的材料可以选择聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷。
步骤S2,在清洗后的柔性衬底上制备含有目标图案的电极阵列。
例如,可以在清洗后的柔性衬底上旋涂碳油墨,干燥后激光雕刻,得到含有目标图案的电极阵列。
又例如,该含有目标图案的电极阵列还可以通过以下方式中的任意一种来制备:在聚酰亚胺衬底上激光刻蚀石墨烯;在柔性衬底上热蒸镀铬/金;在柔性衬底上丝网印刷碳油墨电极。
步骤S3,硫酸活化电极阵列中的工作电极部分。
步骤S4,在工作电极部分电沉积普鲁士蓝层,得到稳定的普鲁士蓝层。
可选地,在电沉积普鲁士蓝层时,电沉积的方式为循环伏安法,扫描速度为10~200mV/s,扫描范围为−0.2~0.6V,扫描20圈,重复扫描2~5次。优选地,该扫描速度为50mV/s,重复扫描3次。
步骤S5,将沉积有普鲁士蓝层的工作电极部分置于以丝氨酸作为模板分子的电化学聚合液中电聚合,使得工作电极区域继续覆盖内含该模板分子(也即丝氨酸)的电聚合膜。
可选地,电化学聚合液的成分为吡咯、3-氨基苯基硼酸和丝氨酸,溶剂为磷酸盐缓冲液。优选地,该电化学聚合液中吡咯、3-氨基苯基硼酸和丝氨酸的浓度分别为37.5mmol/L:12.5mmol/L:5mmol/L。
可选地,电聚合的方式为循环伏安法,扫描速度为50mV/s,扫描范围为0~1V,扫描5~20圈。优选地,该扫描圈数为10圈。
步骤S6,通过洗脱剂脱出电聚合膜中的丝氨酸,得到可以特异性识别丝氨酸的分子印迹丝氨酸传感电极。
可选地,洗脱剂的成分为甲醇、乙酸,甲醇和乙酸的体积比为3:7,浸泡时间为6~12h,以保证丝氨酸的完全脱出。优选地,该浸泡时间为12h。
步骤S7,对分子印迹丝氨酸传感电极中的电极区域不做任何处理,即可作为对电极。
步骤S8,在分子印迹丝氨酸传感电极中的参比电极区域电沉积银。
可选地,电沉积银采用多电流沉积模式,具体可以依次在−0.01 mA电流下沉积150s、在−0.02 mA电流下沉积50 s、在−0.05 mA电流下沉积50 s、在−0.08 mA电流下沉积50 s和在−0.1 mA电流下沉积350 s。
步骤S9,使用氯化铁溶液将参比电极区域的含银部分进行氯化,得到银/氯化银电极;在银/氯化银电极表面涂覆参比电势稳定膜,过夜干燥后得到银/氯化银参比电极,将银/氯化银参比电极、分子印迹丝氨酸传感电极、对电极一同组成用于丝氨酸电化学检测的敏感电极阵列。
可选地,氯化铁溶液的浓度为0.1M,氯化时间为20s;参比电势稳定膜为氯化钠、聚乙烯醇醛、聚(乙二醇)-嵌段-聚(丙二醇)-嵌段-聚(乙二醇)以及多壁碳纳米管的混合物。
在一些实施例中,在步骤S9之后,该方法还包括:使用用于丝氨酸电化学检测的敏感电极阵列,对丝氨酸进行线性扫描伏安法测定。
至此,本发明提供了一种用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器的制备方法,简单可靠、检测周期短,可用于丝氨酸的现场快速检测。并且,检测范围广、选择性高、准确度优异。
本发明提供的方法,在碳电极表面电化学沉积普鲁士蓝纳米颗粒作为敏感层,在其上电聚合对丝氨酸特异性识别的印迹聚合物层,丝氨酸在印迹聚合物层的选择性结合可以减少敏感层与电解质溶液的接触,降低其氧化还原峰电流的大小,峰电流的降低与丝氨酸浓度对数值呈一定的线性关系,以此实现对丝氨酸的检测。该用于丝氨酸检测的柔性传感器,选择性佳、灵敏度高、稳定性好。
下面将结合本发明一些具体的实施例,对本发明的技术方案进行详细说明。
例如,一种用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器,其制备方法包括以下步骤(1)~(9)。
(1):将厚度为80μm的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)衬底浸泡在无水乙醇中超声清洗5min,再浸泡在去离子水中超声清洗5min,最后用去离子水冲洗并用氮气吹干;
(2):在基底上旋涂碳油墨,为得到合适厚度的碳电极,在3000rpm的转速下,旋涂30秒,干燥后激光雕刻,得到含有目标图案的电极阵列;
(3):通过在0.5M的硫酸溶液中循环伏安60圈以活化该电极阵列的工作电极部分,循环伏安的电位范围为0~1V,扫描速度为50mV/s;
(4):通过循环伏安法(扫描速度为50mV/s,扫描范围为−0.2~0.6V,扫描20圈)在工作电极部分电沉积普鲁士蓝层,普鲁士蓝沉积液由3mM氯化铁、3mM铁氰化钾、0.1M氯化钾和0.1M盐酸组成,沉积后用去离子水冲洗电极,重复沉积步骤三次,即可在碳电极工作电极区域沉积上普鲁士蓝层,随后经普鲁士蓝电极浸入到含有0.1M盐酸和0.1M的氯化钾混合溶液中,重复CV扫描直至获得稳定的响应,电位范围为−0.2V~0.6V,扫描速度为50mV/s;
(5):将沉积有普鲁士蓝层的工作电极部分置于含有吡咯、3-氨基苯基硼酸、丝氨酸的电化学聚合液中电聚合,电化学聚合液以pH为6.5的磷酸缓冲液作为溶剂,吡咯、3-氨基苯基硼酸和丝氨酸的浓度分别为37.5mmol/L、12.5mmol/L、5mmol/L,通过循环伏安法(扫描速度为50mV/s,扫描范围为0~1V,扫描10圈)使得工作电极区域继续沉积一层内含丝氨酸模板分子的电聚合膜;
(6):通过洗脱剂脱出电聚合膜中的丝氨酸,洗脱剂成分为甲醇、乙酸,甲醇和乙酸的体积比为3:7,浸泡时间为12h,得到可以特异性识别丝氨酸的分子印迹丝氨酸传感电极,模板分子(丝氨酸)提取后在0.5M盐酸中以1V进行IT扫描,持续600s,然后在0.1M氯化钾溶液中CV扫描直至稳定(扫描电位为-0.2~0.6V,扫描速率为50mV/s),以激活普鲁士蓝敏感层;
(7):对分子印迹丝氨酸传感电极中的电极区域不做任何处理,即可作为对电极;
(8):使用含有0.25M硝酸盐、0.75M硫代硫酸钠、0.5M亚硫酸钠的电镀溶液在分子印迹丝氨酸传感电极中的参比电极区域电沉积银,所述电沉积银的程序为多电流沉积模式,依次在−0.01 mA电流下沉积在150 s、−0.02 mA电流下沉积50 s、−0.05 mA电流下沉积50 s、−0.08 mA电流下沉积50 s和−0.1 mA电流下沉积350 s;
(9):将沉积银后的参比电极区域浸泡在0.1M氯化钾溶液中20s,使得参比电极区域沉积的银发生部分氯化,得到银/氯化银电极,并在该银/氯化银电极表面重复滴涂1μL的电势稳定混合物三次,电势稳定混合物成分为氯化钠、聚乙烯醇醛、聚(乙二醇)-嵌段-聚(丙二醇)-嵌段-聚(乙二醇)以及多壁碳纳米管,干燥后得到银/氯化银参比电极,将该银/氯化银参比电极、分子印迹丝氨酸传感电极、对电极一同组成用于丝氨酸电化学检测的敏感电极阵列。
接下来,为验证制得的丝氨酸电化学检测的敏感电极阵列对丝氨酸检测的实际效果,在0.1M氯化钾中配置不同浓度的丝氨酸溶液,对不同浓度丝氨酸溶液进行线性扫描伏安法测定。所述的LSV(线性扫描伏安法)参数如下:扫描范围−0.2~0.4V,扫描速度为50mV/s,采样间隔0.001V,静止时间为2s,灵敏度为1×10-4A/V。
图2示意性示出了根据本发明实施例制得的用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器对不同浓度丝氨酸的测定结果。
如图2所示,利用丝氨酸传感阵列对48μM~30mM丝氨酸进行测定,横坐标为丝氨酸浓度Potential,纵坐标为传感器的响应电流Current,可以看出传感器的响应电流随着丝氨酸浓度增加而减小。
图3示意性示出了根据本发明实施例制得的用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器的LSV响应值与丝氨酸浓度对数值的线性关系图。
如图3所示,横坐标为丝氨酸浓度Potential的对数值,纵坐标为LSV响应电流的变化值∆Current,可以看出响应电流的变化值与丝氨酸浓度的对数值呈现良好的线性关系。
此外,为验证制得的用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器对丝氨酸检测的高选择性,图4示意性示出了根据本发明实施例制得的用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器对常见干扰物的响应对比图。
如图4所示,可以看出使用该传感器对体液中常见干扰物进行测定,传感器具有较好的抗干扰性。
从以上的描述中,可以看出,本发明上述的实施例至少实现了以下技术效果:
(1)本发明所采用的衬底具有一定的柔韧性,可弯曲贴合于皮肤,且传感器尺寸小,方便携带,可进一步用于丝氨酸浓度的穿戴式检测;
(2)本发明利用普鲁士蓝纳米颗粒作为敏感层、分子印迹聚合物膜作为特异性识别层,实现了无电化学活性的生物小分子—丝氨酸的电化学检测;
(3)所述的制备方法具有一致性好、成本低廉、易于大规模生产等优势;
(4)该传感器性能稳定、且具有较高的选择性、宽的线性范围,无需对采集的样本进行样品纯化、提取和预浓缩等繁琐的步骤。
附图中示出了一些方框图和/或流程图。应理解,方框图和/或流程图中的一些方框或其组合可以由计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器,从而这些指令在由该处理器执行时可以创建用于实现这些方框图和/或流程图中所说明的功能/操作的装置。
此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是至少两个,例如两个、三个等,除非另有明确具体的限定。此外,位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于丝氨酸检测的柔性电化学传感器的制备方法,其特征在于,包括:
步骤S1,对柔性衬底进行超声清洗;
步骤S2,在清洗后的柔性衬底上制备含有目标图案的电极阵列;
步骤S3,硫酸活化所述电极阵列中的工作电极部分;
步骤S4,在所述工作电极部分电沉积普鲁士蓝层,得到稳定的普鲁士蓝层;
步骤S5,将沉积有普鲁士蓝层的工作电极部分置于以丝氨酸作为模板分子的电化学聚合液中电聚合,使得工作电极区域继续覆盖内含所述模板分子的电聚合膜;
步骤S6,通过洗脱剂脱出所述电聚合膜中的丝氨酸,得到可以特异性识别丝氨酸的分子印迹丝氨酸传感电极;
步骤S7,对所述分子印迹丝氨酸传感电极中的电极区域不做任何处理,即可作为对电极;
步骤S8,在所述分子印迹丝氨酸传感电极中的参比电极区域电沉积银;
步骤S9,使用氯化铁溶液将参比电极区域的含银部分进行氯化,得到银/氯化银电极;在所述银/氯化银电极表面涂覆参比电势稳定膜,过夜干燥后得到银/氯化银参比电极,将所述银/氯化银参比电极、所述分子印迹丝氨酸传感电极、所述对电极一同组成用于丝氨酸电化学检测的敏感电极阵列;
其中,在步骤S9,所述氯化铁溶液的浓度为0.1M;所述参比电势稳定膜为氯化钠、聚乙烯醇醛、聚(乙二醇)-嵌段-聚(丙二醇)-嵌段-聚(乙二醇)以及多壁碳纳米管的混合物。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤S1,所述柔性衬底的材料选择聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤S2,所述含有目标图案的电极阵列通过以下方式来制备:
在清洗后的柔性衬底上旋涂碳油墨,干燥后激光雕刻,得到含有目标图案的电极阵列。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤S2,所述含有目标图案的电极阵列通过以下方式中的任意一种来制备:
在聚酰亚胺衬底上激光刻蚀石墨烯;
在所述柔性衬底上热蒸镀铬/金;
在所述柔性衬底上丝网印刷碳油墨电极。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤S4,所述电沉积的方式为循环伏安法,扫描速度为10~200mV/s,扫描范围为−0.2~0.6V,扫描20圈,重复扫描2~5次。
6.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤S5,所述电化学聚合液的成分为吡咯、3-氨基苯基硼酸和丝氨酸,溶剂为磷酸盐缓冲液;
所述电聚合的方式为循环伏安法,扫描速度为50mV/s,扫描范围为0~1V,扫描5~20圈。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤S6,所述洗脱剂的成分为甲醇、乙酸,甲醇和乙酸的体积比为3:7,浸泡时间为6~12h,以保证丝氨酸的完全脱出。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,在步骤S8,所述电沉积银采用多电流沉积模式,依次在−0.01 mA电流下沉积150 s、在−0.02 mA电流下沉积50 s、在−0.05 mA电流下沉积50 s、在−0.08 mA电流下沉积50 s和在−0.1 mA电流下沉积350 s。
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