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1、蔗糖酶的分离提纯及酶促反应动力学实验 (综合性大实验) 2022/8/21 内容提示 本实验含如下内容(1、2、3是酶分离提纯及比活力测定部分的内容;4、5是酶促反应动力学部分的内容):1、 3,5-二硝基水杨酸比色定糖法(DNS法)工作曲线的制 作及三种蔗糖酶样品(E1、E2 、E3)的测定(酶活力);2、 Folin-酚法测定蛋白质含量工作曲线的制作及三种蔗 糖酶样品(E1、E2 、E3)的测定(蛋白质含量);3、蔗糖酶的分离提纯(细胞破壁、抽提、有机溶剂分级、 透析和离子交换柱层析装柱、上样、洗柱、洗脱、收 集酶活力峰、保存);4、蔗糖酶米氏常数的测定(用双倒数法);5、用正交法测定几种

2、因素对蔗糖酶活力的影响(含实验设 计及数据处理的相关知识)。2022/8/22 一、目的要求 1.熟悉工作曲线的制作方法及使用注意事项; 2.学习掌握3,5-二硝基水杨酸比色定糖的原理和方法;3.学习掌握Folin-酚法测定蛋白质含量的原理和方法;4.学习酶蛋白分离提纯的原理;5.学习掌握细胞破壁、抽提、有机溶剂分级、透析和离子交换柱 层析技术; 6.学习掌握酶的比活力测定及其计算方法;7.学习掌握酶促反应动力学中用双倒数法测定Km的方法、选择确 定酶促反应最适条件(温度、pH值、离子浓度等)的方法;8.学习正交试验法中最简单的入门知识:用正交表设计 试验方案、用极差分析处理试验数据并分析试验

3、结果。2022/8/23 二、实验原理 前 言 酶是生物体内具有催化功能的蛋白质,可据酶蛋白的结构和性质选择分离提纯条件和含量测定方法。 酶分离提纯的总目标是提高纯度(或比活力)及收率;依据在溶液中的性质(分子大小、溶解度、电荷、吸附等)进行分离; 胞内酶的分离提纯步骤:选材、破壁、提取、分离、纯化、测活、保存;用测定酶活力的方法跟踪酶的去向、衡量酶提纯的程度和得率。 酶促反应的动力学(反应速度及影响因素): 1)底物浓度对酶促反应速度的影响 2)酶浓度对酶促反应速度的影响 3)pH值对酶促反应速度的影响 4)温度对酶促反应速度的影响 5)激活剂、抑制剂对酶促反应速度的影响.2022/8/24

4、2022/8/252022/8/262022/8/274、Folin-酚法测定蛋白质含量的原理: 1)凡含有两个及两个以上肽键(CONH)的化合物(如双缩脲:H2NCONHCONH2),在碱性溶液中(如Folin-甲试剂)都能与Cu2+作用,形成紫色的复合物; 2)蛋白质是由多个氨基酸通过肽键连接起来的,故所有的蛋白质均可与Folin-甲试剂反应,形成紫色的铜-蛋白质复合物; 3)铜-蛋白质复合物在pH=10的碱性溶液中可将磷钼酸-磷钨酸(Folin-乙试剂)还原成兰色的钼蓝和钨蓝混合物,其颜色的深浅(在一定范围内)与蛋白质的含量成正比; 在测定液体蛋白质样品含量的常用方法中(双缩脲法、 Fo

5、lin-酚法和紫外吸收法),Folin-酚法的灵敏度最高(比紫外吸收法高10-20倍,比双缩脲法高100倍),所以我们选用本方法。2022/8/285、有机溶剂分级沉淀的原理: 有机溶剂分级是利用不同Pr在不同浓度的有机溶剂中溶解度的差异分离酶蛋白的一种方法。 其原理是: 1)有机溶剂能降低溶液的介电常数,增加Pr分子上不同 电荷的引力,使蛋白质的溶解度下降; 2)有机溶剂与水作用,能破坏Pr的水化膜,使蛋白质的 溶解度下降。6、离子交换柱层析的原理: 是根据物质的酸碱度、极性和分子大小的差异,使其分离的技术。在分离过程中,以离子交换作用为主导;在众多的交换剂中,离子交换纤维素的优点是:202

6、2/8/291)有开放性的长链结构、较大的表面积,所以对Pr 的吸附容量大;2)纤维素上离子基团的数量不多且排列疏散,对 Pr的吸附不是太牢固,所以用缓和的洗脱条件即 可达到分离的目的,不致引起Pr的变性;3)用其装好的层析柱在较广的pH和盐浓度范围内都 不会发生体积的改变,所以有利于Pr的层析。 本实验中使用的DEAE-c11是弱碱性的阴离子纤维素,其基本骨架是纤维素、活性基团为二乙基氨乙基。该纤维素的吸附量大,分辨率高,化学性质稳定。2022/8/210 三、实验流程 周三晚上6:00开始 周四下午1:00开始1、制备蔗糖酶粗品E1 2、制作DNS比色定糖的工作曲线 (当天画出工作曲线)

7、自溶 3、制作Folin-酚法测定蛋白质 含量的工作曲线 (当天画出工作曲线) 抽提 (过夜)2022/8/2114、乙醇分级和透析(制E2) 离心得E1(无细胞抽提液) 取样、测定酶E1活力及蛋白质浓度 第一次乙醇分级(32%乙醇饱和度) 第二次乙醇分级(47.5%乙醇饱和度) 透析(过夜) 2022/8/2125、柱层析的准备工作 组装层析装置装柱、柱平衡(过夜) 2022/8/2136、 柱层析(制E3) 周五下1:00开始 离心(得E2 ) 取样、 测酶E2活力及蛋白质浓度 上样 洗柱(用目测酶活力的方法检测目的酶是否挂上) 洗脱 合并酶活力峰,得E3 保存成品E3 测酶E3活力及蛋白

8、质浓度 2022/8/214成品E3 计算出E3浓度 周六(全天)上午8:00开始 (1).蔗糖酶米氏常数的测定 (2).用正交法测定几种因素 对蔗糖酶 活力的影响 2022/8/215四、操作步骤及注意事项 1、 DNS比色定糖法工作曲线的制作取11支血糖管编号111,按下页表中的顺序和数量加入葡萄糖标准溶液(0.2%)、蒸馏水、3,5-二硝基水杨酸试剂,混匀后同时放入沸水浴中准确反应5分钟(注意:一定等沸水浴锅中的水沸腾后再放入试管,且不要用大玻璃杯代替沸水浴锅;用秒表记时),取出后立即用流动的冷水冷却,加蒸馏水定容至25ml,摇匀,测定540nm处的A值。以葡萄糖(mg)含量为横坐标、A

9、540值为纵坐标,画出工作曲线。2022/8/216 3,5-二硝基水杨酸比色定糖法工作曲线的制作试号 含糖量 葡萄糖标准液 去离子水 3,5-二硝基水杨酸试剂 A540 (mg) (ml) (ml) ( ml) 1 0 0 2.0 3 2 0.4 0.2 1.8 3 3 0.8 0.4 1.6 3 4 1.2 0.6 1.4 3 5 1.6 0.8 1.2 3 6 2.0 1.0 1.0 3 7 2.4 1.2 0.8 3 8 2.8 1.4 0.6 3 9 3.2 1.6 0.4 3 10 3.6 1.8 0.2 3 11 4.0 2.0 0 3 2022/8/217 2、Folin-酚法

10、测定蛋白质含量工作曲线的制作 取7支试管(干燥)按下表中顺序加入各种试剂并进行反应和测定 以1号管为参比调零,记录光密度值A650,以标准液的浓度为横坐 标, A650值为纵坐标,画出工作曲线。 2022/8/218* Folin-酚法测定蛋白质含量的方法1.样品的测定:取两支试管(平行)各加入样品液(稀 释成一定浓度的)1ml ,其他操作(反应和比色测 定)同工作曲线的制作(前页)2.蛋白质浓度的计算: A650值对应的g数(Pr)10-3 Pr (mg/ml)= 稀释倍数 Pr溶液的ml数 2022/8/219 *制作工作曲线的注意事项1.分光光度计的使用:1)测样时,光吸收值A应在0.1

11、000.700之间,并小于标准曲 线的最大值,否则,缩小or加大样品的稀释倍数,重测! 2)其他,见(523室)操作规程;2.比色杯的使用: 1).洗净(洗净的标准是:透明、无痕迹、不挂水珠)后,置 小烧杯内用蒸馏水浸没; 2).用蒸馏水or buffer校正(方法在仪器室讲),然后在杯 底标上记号(0、1、2、3); 3).向杯中加样液时,按浓度从低到高的顺序加,注意加样到 比色杯的2/3处; 4).如样液有外溢,先用滤纸条吸干(不许檫);再用镜头纸 向一个方向檫至透明; 5).将装有参比、样品溶液的比色杯放入比色杯架上时,要摆 放在一条直线上;2022/8/220 6).倒出液体后,一定要

12、用洗瓶中的蒸馏水洗净,然后倒置在滤纸 上吸干; 7).任何情况下都不许把比色杯放在仪器盖上; 8).自备废液杯(盛废液及废纸块用); 9).各台分光光度计的比色杯是配套的,不许随意调换使用。3.工作曲线的制作(以Folin-酚法测定蛋白质含量的工作曲线为例) 1)反应: 取液量准确:移液管洗净、标号、润洗,最好同一人取样; 温度准确:(恒温水浴中放有温度计),记时准确(用秒表); 所用的标准液、buffer、反应液应是同一批配制的; 加入Folin-乙试剂时要特别小心!因为Folin-乙试剂只有在酸 性条件下稳定,而反应是在碱性溶液中进行,所以加入Folin- 乙试剂后,一定要迅速摇匀(加一管

13、摇一管);2022/8/2212)测量: 由同一个人读数; 制作标准曲线及测量样品使用同一台仪器;3)记录: 实验记录本记录要清晰(不许用纸片),实验结束后要 请教师签字; 记录仪器使用情况。4)制图: 标明:曲线名称、纵横坐标的单位、仪器号、使用时间; 注意实验点的分布、大小(依据误差)、直线的角度 (最好在45度左右); 不许延长工作曲线(比耳定律适用于稀溶液中的反应)。附:标准液的配制: 浓度必须准确,要注意烘干、称量、定容等操作; 分装or取液时防止被稀释!2022/8/2223、 蔗糖酶粗品(E1)的制备 自溶:15g(一小袋)高活性干酵母粉倒入250ml烧杯中、少量多次地 加入50

14、ml蒸馏水,搅拌均匀,成糊状后加入1.5g乙酸钠、25ml乙酸乙 酯,搅匀,再于35 恒温水浴中搅拌30分钟,观察菌体自溶现象;抽提:补加蒸馏水30ml,搅匀,盖好,于35 恒温过夜,8000r/min 离心10min,弃沉淀及脂层,得E1(无细胞提取液); 量体积V1=( )ml(取出2ml置于冷处或冰盐浴中保存,待测酶活力 及蛋白质浓度)。 4、乙醇分级和透析(制E2) 测E1pH、用稀HAC调pH至4.5(注意少量、慢加、搅匀,防止调过); 第一次乙醇分级(32%乙醇饱和度): 计算出使E1的乙醇浓度达32%时,所需95%乙醇的体积X1,将E1和乙醇X1,放入冰盐浴中预冷,在不断搅拌下,

15、缓慢滴加乙醇,3000r/min,离心5min,弃沉淀,留上清; 2022/8/223 第二次乙醇分级(47.5%乙醇饱和度): 同上法加入X2(为达47.5%乙醇饱和度时需要补加的95%乙醇的体积),离心3min,弃上清,沉淀立刻用10ml 0.005mol/L pH6.0的磷酸buffer溶解,并装入透析带(截止分子量一万的),对上述buffer透析过夜;次日,3000r/min离心3min,得E2,量体积V2=( )ml(留出2ml置于冷处或冰盐浴中保存,待测酶活力及蛋白质浓度),其他酶液准备上样。5. 柱层析(制E3) 装柱:本实验使用的层析柱是自加工的,用泡沫海绵为筛板。装入纤维素前

16、,先把柱内装满起始缓冲液,用玻璃棒挤压海绵,赶尽气泡并把柱子垂直固定;将纤维素用起始缓冲液调稀、搅允后加入,柱内的纤维素应非常均匀地分布,防止出现节面和气泡,床面要平整,床高距柱顶23cm为宜;用起始缓冲液洗柱,控制好流速(防止流干),于4平衡过夜。2022/8/224 上样:次日,将柱中的缓冲液逐渐放出,当顶部液面达到近于柱床表面时,开始用细长的玻管沿柱壁绕环加入酶样E2,待样液达2cm后再在柱中间小心加样,注意控制流速,使流出液的流出速度为1ml/min左右。 洗柱:样品全部进入床面后,用5倍柱体积的起始缓冲液流过层析柱,洗出未吸附的物质,此时应目测酶活力,检查流出液中是否有酶活力存在(即

17、目的酶是否挂在纤维素上)。 洗脱:因梯度洗脱装置不齐,本实验用阶段洗脱进行。用含0.15mol/LNaCl的 0.005mol/L pH6.0的磷酸缓冲液100ml,控制流速为1ml/min ,用小试管收集,3ml/每管。 收集酶活力峰:每隔一管目测酶活力,确定酶活力峰的位置,合并酶活力峰,得进一步提纯的E3,量出E3的体积V3=( )ml(留出2ml置于冷处或冰盐浴中保存,待测酶活力及蛋白质浓度),其它酶液封好、记名,于4保存,留反应动力学性质实验使用。 2022/8/2256、蔗糖酶活力及蛋白质含量的测定 (一)、蔗糖酶活力的测定: 1. 蔗糖酶活力的规定:在本实验条件下,每3分钟释放1毫

18、克还原糖所需 的酶量定义为一个活力单位。 2操作:取两支试管分别加入用pH4.6,0.2mol/L的醋酸缓冲液适当稀释 过的酶液2ml,一支中加入0.5ml 1mol/L的NaOH,摇匀,使酶失活(做 对照),另一支做测定管;把两支试管和5%的蔗糖溶液放入35水浴 中预热恒温;分别取2ml 5%的蔗糖加入上述两试管中,并准确计算时 间,3分钟后于测定管中加入 0.5ml 1mol/L的NaOH,摇匀,终止反应 3 .从反应混合物中取出0.5ml溶液放入血糖管中,加入3ml 3,5 二硝基 水扬酸试剂和1.5ml水,摇匀。于沸水浴中准确反应5min,立即用冷水 冷却,加水稀释至25ml,摇匀,于

19、540nm处测光密度。 4. 在葡萄糖标准曲线上找到所测定光密度值对应的葡萄糖含量,按下面 公式计算酶活力: 蔗糖酶活力单位=葡萄糖毫克数9酶的稀释倍数2022/8/226 (二)、目测酶活力的方法:1. 洗柱时用的目测酶活力方法:取两支试管,各加入1ml 5%蔗糖液,然后于一支中加入1ml起始缓冲液,另一支中加1ml洗柱流出液,同时于35恒温水浴中进行水解反应3min,然后各加DNS 试剂1ml ,于沸水浴中反应5min ,比较两支试管颜色的深浅;2. 收集酶活力峰时用的目测酶活力方法:于收集管(每隔一管)中取0.1mlE液+1ml 5%蔗糖液,于35水解反应3min后,加0.2ml 1mo

20、l/L NaOH终止反应,然后加DNS 试剂1ml ,于沸水浴中准确反应5min ,比较各管颜色的深浅,再加密实验点,重复测定,确定酶活力峰的位置。 (三)、三种蔗糖酶(E1、E2 、E3)蛋白质浓度的测定:用 Folin-酚法 测定。 2022/8/227 五、结果及数据处理 1.洗脱曲线 蛋 白 酶 质 活 含 力 量 管号2.原始数据 2022/8/228 3.数据处理 有关计算 1)E=葡萄糖mg数(4.5/0.5)E的的稀释倍数/2ml =( )u/ml 2)总活力:EV 3)Pr:查标准曲线 4)总Pr量:PrV 5)比活力:E/Pr or 总活力/总Pr量 6)阶段收率:E2活力

21、/E1活力、E3活力/E2活力 7)总收率:E3总活力/E1总活力 8)提纯倍数:比活力n/比活力n-1 n=1,2,3 将计算出的数据添入下表中:2022/8/2294.实验结果表蔗糖酶酶样品EEE酶浓度总活力蛋白浓度总蛋白量比活力提纯倍数阶段收率总收率(ml)(u/ml)(u)(mg/ml) (mg) (u/mg) (%) (%)样品体积2022/8/230 六、主要参考资料 1、李建武 主编 .生物化学实验原理和方法 . 北京大学出版社 .1994 该书中的:p36-46 (离子交换层析法) 2、沈同 王镜岩主编 .生物化学 第二版 上册 高等教育出版社 .1993 该书中的:p 209

22、、 210、215、216、220中有关论述 3、张树政 主编 .酶制剂工业 上册 .科学出版 社 .19982022/8/231 七、思考题 1) 指出有机溶剂分级沉淀法的原理及操作中 的注意事项。 2) 说明离子交换柱层析的原理及装好层析柱 的具体要求。3) 比较线性梯度洗脱与阶段洗脱的区别。4) 分别指出判断酶损失程度和酶提纯方法优 劣的标志。2022/8/232其 它1) 这个实验较大,涉及到的理论知识和实验技术都较多,用的时间也很长,要求同学们一定做好预习,写好预习报告(方式不限,但一定要写在本子上,并留出记录实验数据和实验现象的位置),否则将严重影响实验进度!2) 你们年级的理论课

23、还没讲到酶学部分,预习时可以看实验课教材(我在编写时已经进行了整理和补充),但教材中有印刷错误,应以该课件为准.3) 本实验从一开始,就要纵观全局,在各个环节都要注意防止酶失活;只要时间允许,一定要用测定酶活力的方法跟踪酶的去向;4) 实验制品E3要保留!酶促反应动力学性质实验用。2022/8/233蔗糖酶米氏常数的测定 一、目的要求:了解底物浓度与酶反应速度之间的关系,学习蔗糖酶米 氏常 数的测定方法。二、实验原理:米氏常数Km等于酶反应速度达最大反应速度一半时的底 物浓度,单位是mol/L 。对于某一种特定的酶,在特定的反应条件 下,对应任何一种底物(如果它具有多个底物),它的米氏常数 K

24、m是一个定值。在一个反应中,底物的浓度(S)是可以控制的,反 应的速度(V)可以测出,这样就可根据底物的浓度和反应的速度求 出该酶在本实验条件下的米氏常数。通常可以通过以下几种方法求 出Km值: 1)直接将数据代入米氏方程。 2)Lineweaver-Burk双倒数作图法(本实验采用该法),横轴的截距 为:-1/Km。 3)Hanes-Woolf作图法,横轴的截距为:-Km。 4)Woolf-Anguseinsson-Hoftee作图法,斜率为:-Km。 5)Eadie-Scatchard作图法,斜率为-1/Km。2022/8/234三、操作方法:1.取试管8支,按0、1-7编号,0为空白。2

25、.按表1将蔗糖液、醋酸缓冲液分别加入试管中,于35 水浴中保温(使温度平衡,以下同)10min。3.取约20ml酶液,放入同一水浴中保温约10min。4.于各管中依次按同样时间间隔加入已保温过的酶液2ml, 记时,立即摇匀。在35水浴中准确反应3min。5.按同样次序和时间间隔,加入0.5ml的1mol/L NaOH,摇匀 ,终止反应。6.吸取反应混合物0.5ml,加入盛有1.5ml DNS试剂和1.5ml 去离子水的血糖管中,放入沸水中加热5min,冷却后稀释 定容至25ml,摇匀后,测定A540值。2022/8/235表1 Km值的测定 2022/8/236四 数据处理: 以A值作为相对反

26、应速度,以1/S为横坐标,1/A为纵坐标作图,由图求出Km值。五、思考题: 1.说明米氏常数的物理意义及单位? 2.用双倒数法测定Km值时,应注意的主要问题是什么? 2022/8/237用正交法测定几种因素对蔗糖酶活力的影响一、目的要求 1.初步掌握正交实验设计方法的使用; 2.求出蔗糖酶的最适温度和最适pH值。二、实验原理 1. 酶的催化作用是在一定条件下进行的,它受多种因素的影响,如:底物浓度、酶浓度、溶液的pH值和离子浓度、温度、抑制剂和激活剂等都能影响催化反应的速度。通常是在其他因素恒定的条件下,通过对某因素在一系列变化条件下的酶活性测定,求得该因素对酶活力的影响,这是单因素的简单比较

27、法。本实验使用正交实验设计法测定温度、pH值、和离子浓度三种因素对蔗糖酶活性的影响,这是多因素(3)的实验方法。 2022/8/238 正交法是通过正交表安排多因素实验,利用统计数学原理进行数据分析的一种科学方法,它符合“以尽量少的试验,获得足够的、有效的信息”的实验设计原则。 2. 本实验以自制的蔗糖酶(E3)为测定对象。蔗糖酶是一种水解酶,可使蔗糖水解为D-果糖和D-葡萄糖。 酶活性的测定,是利用DNS试剂与D-葡萄糖共热后生成棕红色的氨基化合物,在一定范围内,葡萄糖的量和反应液的颜色呈比例关系,利用比色法可测得酶促反应后生成的还原糖量。2022/8/239三、操作方法 1.实验设计: 1

28、)确定指标:即实验的结果。本实验的指标是酶活力。这里,用A540值表示,能落在葡萄糖工作曲线范围内的A540值越高,指标越好。 2)制定因素水平表:考察三个因素(温度、pH值和离子浓度),每个因素取三个水平。水平是因素变化的范围(通常是根据专业知识确定。如无资料可借鉴,应先加宽范围再逐步缩小)内要进行实验的具体条件,如表1。 2022/8/240 表1 因素水平表 2022/8/241 3)选择正交表:可容纳三因素三水平的正交表有L9(34)、L27(313)、L18(366)和L27(389)。本实验不考察各因素间的交互作用,也没设计混合水平,只有水平数均为3的的三个因素,故选用L9(34)

29、表,见表2。 按一般的实验方法: 简单比较法(最常用),因实验点分配不均衡,易把好条件漏掉,又因数据无规律而对结果无法进行分析和判断。 全面实验法:(即对三个因素三个水平的各种搭配都考察)要进行33=27次实验。而用正交表L9(34),只做九次实验,就可以找到好的实验条件。 2022/8/242而且,还可以进行如下分析:A. 判断各因素的水平范围是否选偏;B. 判断各因素显著性大小的顺序;C. 判断实验结果的置信度。 由表2可见,正交表L9(34)有任何正交表都具有的如下特点: A .任何一列各水平出现的次数相等,该表均为3次。2022/8/243 表2 正交表L9(34) 2022/8/24

30、4 B. 任何两列横行组成的数字对出现的次数都相等。该表有9个数字对,即(1,1)、(1,2)、(1,3)、(2,1)、(2,2)、(2,3)、(3,1)、(3,2)、(3,3)都出现一次。 C. 任何两列同名数对出现的次数都相等。该表中有3个同名数对,即(1,1)、(2,2)、(3,3),均出现一次。 以上特点,保证了用正交表安排的实验计划是均衡搭配的,因此可以进行综合比较和方差分析。 4)安排实验:将本实验的三个因素分别放在L9(34)表的第1、2、3列中,再将各列的水平数用该因素相应的水平写出来,即得到实验安排表,见表4的上半部分。2022/8/2452. 具体操作步骤: 1)将已配制好

31、的三种不同pH的0.2mol/L的缓冲液于 9支试管中按表3进一步稀释至一定浓度。表3 三种不同pH buffer的稀释表2022/8/246 2)另取18支试管,编号19及1-9(平行组),按表4中2、3列的要求,分别加入上述不同pH不同浓度的缓冲液2ml及蔗糖酶液(浓度15U/ml左右)1ml,混匀。 3)按表4中第一列的要求,将19及1-9试管分别放入相应温度的恒温水浴中保温10min。 4)另取足量的0.2mol/L蔗糖液三份,分别置于20、35、50水浴中保温5min。 5)向19及1-9试管中,依次间隔1min(或2min)加入相同温度下保温过的0.2mol/L蔗糖液1ml,立即记时,摇匀,放回原来温度的水浴中,准确反应3min。 6)按上述次序和时间间隔,加入1mol/L NaOH液0.5ml,摇匀。 7)空白管:另取一支“0”号试管,加入15U/ml酶液1ml,1mol/LNaOH液0.5ml,摇匀,再加入0.2mol/L蔗糖液1ml及去离子水2ml。 8)分别于各管中吸取反应物0.5ml,加入对应编号的盛有3mlDNS试剂的血糖管中,放入沸水浴中加热(要用铜水浴锅,一定保持沸腾),准确反应5min,急速水冷后,稀释至25ml,摇匀。以空白管为参比,测出

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