李志強 黃江華 雷萍 鄭緒東 韓敬美 尚善齋 王程婭 龔為民 湯建國 李暉
摘要:以探究煙堿-蘋果酸鹽晶體結(jié)構(gòu)為目的,采用溶液反應(yīng)法制備獲得煙堿-蘋果酸鹽,溶液重結(jié)晶得到煙堿-蘋果酸鹽的單晶體。通過單晶X射線衍射分析法解析得到煙堿-蘋果酸鹽由一個加氫的煙堿陽離子(二價)與一個蘋果酸陰離子(二價)組成,其化學(xué)計量式為C HzoNzOs,其中煙堿與蘋果酸分子以離子鍵和氫鍵結(jié)合。晶胞參數(shù)為:正交晶系,P212121空間群,a=7.629 3(16)A,b=8.1604(12)A,c=24.030(4)A,α=β=γ=90.00°。相互作用能分析結(jié)果表明:在以煙堿為中心,3.8A距離范圍內(nèi),煙堿分子與周圍分子存在12種不同的相互作用能。其中,煙堿分子與最近的蘋果酸分子由于形成N2-H2…O2氫鍵而具有最大的總相互作用能(-23.4kJ/mol)。能量框架研究結(jié)果表明:煙堿-蘋果酸鹽總體能量框架主要由形如正方體的能量框架單體組合而成,在正方體能量框架單體內(nèi)部有較小的相互作用能(圓柱體半徑較?。┻B接。該研究制備得到煙堿-蘋果酸鹽及其單晶體,通過實驗與理論分析相結(jié)合的方式,系統(tǒng)分析煙堿-蘋果酸鹽的晶體結(jié)構(gòu),探究共晶中煙堿與蘋果酸分子間的相互作用關(guān)系。
關(guān)鍵詞:煙堿;蘋果酸;共晶;晶體結(jié)構(gòu);能量框架
中圖分類號:O641.3 文獻標志碼:A 文章編號:1674-5124(2019)10-0053-09
收稿日期:2019-06-19;收到修改稿日期:2019-08-23
基金項目:云南省基礎(chǔ)研究-青年基金項目(2017FD238);云南中煙科技計劃組重大專項(2018XY01)
作者簡介:李志強(1986-),男,云南楚雄州人,工程師,碩士,主要從事新型煙草制品研究。
通信作者:湯建國(1974-),男,湖南玩江市人,高級工程師,博士,研究方向為新型煙草制品研發(fā)。
doi:10.11857/j.issn.1674-5124.2019060055煙堿-蘋果酸鹽制備及晶體結(jié)構(gòu)理論分析
李志強 黃江華 雷萍 鄭緒東 韓敬美 尚善齋
王程婭 龔為民 湯建國 李暉
摘要:以探究煙堿-蘋果酸鹽晶體結(jié)構(gòu)為目的,采用溶液反應(yīng)法制備獲得煙堿-蘋果酸鹽,溶液重結(jié)晶得到煙堿-蘋果酸鹽的單晶體。通過單晶X射線衍射分析法解析得到煙堿-蘋果酸鹽由一個加氫的煙堿陽離子(二價)與一個蘋果酸陰離子(二價)組成,其化學(xué)計量式為C HzoNzOs,其中煙堿與蘋果酸分子以離子鍵和氫鍵結(jié)合。晶胞參數(shù)為:正交晶系,P212121空間群,a=7.629 3(16)A,b=8.1604(12)A,c=24.030(4)A,α=β=γ=90.00°。相互作用能分析結(jié)果表明:在以煙堿為中心,3.8A距離范圍內(nèi),煙堿分子與周圍分子存在12種不同的相互作用能。其中,煙堿分子與最近的蘋果酸分子由于形成N2-H2…O2氫鍵而具有最大的總相互作用能(-23.4kJ/mol)。能量框架研究結(jié)果表明:煙堿-蘋果酸鹽總體能量框架主要由形如正方體的能量框架單體組合而成,在正方體能量框架單體內(nèi)部有較小的相互作用能(圓柱體半徑較?。┻B接。該研究制備得到煙堿-蘋果酸鹽及其單晶體,通過實驗與理論分析相結(jié)合的方式,系統(tǒng)分析煙堿-蘋果酸鹽的晶體結(jié)構(gòu),探究共晶中煙堿與蘋果酸分子間的相互作用關(guān)系。
關(guān)鍵詞:煙堿;蘋果酸;共晶;晶體結(jié)構(gòu);能量框架
中圖分類號:O641.3 文獻標志碼:A 文章編號:1674-5124(2019)10-0053-09
收稿日期:2019-06-19;收到修改稿日期:2019-08-23
基金項目:云南省基礎(chǔ)研究-青年基金項目(2017FD238);云南中煙科技計劃組重大專項(2018XY01)
作者簡介:李志強(1986-),男,云南楚雄州人,工程師,碩士,主要從事新型煙草制品研究。
通信作者:湯建國(1974-),男,湖南玩江市人,高級工程師,博士,研究方向為新型煙草制品研發(fā)。
0 引言
煙堿(nicotine)是煙草制品中含量最豐富的天然生物堿[1],是人類吸煙的主要動因。大量有機物的運用為煙草提供了全新的煙堿引入形式,從而開發(fā)出能持續(xù)提供生理滿足感,具備一定提味增香,且對人體健康危害減少的新型煙草制品。探究煙堿與有機酸的結(jié)合或相互作用情況,能有助于篩選新型煙堿添加形式。國內(nèi)外對煙堿鹽的合成已有相關(guān)的研究報道。早在20世紀90年代初期,基于尼古丁易于成鹽的性質(zhì),開展了尼古丁苦味酸鹽和尼古丁硅鎢酸鹽的制備研究工作[2]。Smith等[3]報道了尼古丁分別與3,5-二硝基水楊酸(DNSA)和5-磺基水楊酸(5-SSA)形成1:1摩爾比的質(zhì)子轉(zhuǎn)移鹽及晶體結(jié)構(gòu)。目前,針對煙堿-蘋果酸鹽的制備及晶體結(jié)構(gòu)均未報道。蘋果酸是人體必需的一種有機酸,味道柔和(具有較高的緩沖指數(shù)),具有特殊香味,是一種低熱量的理想食品添加劑[4-5];因此,蘋果酸也是一種潛在的有助于提高新型煙草制品感官質(zhì)量的添加成分。不同結(jié)合方式和晶體結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)中分子排列和相互作用的不同,將會導(dǎo)致共晶本身物理性質(zhì)的差異,如密度、溶解度、穩(wěn)定性、溶出速率和熔點等。所以,研究煙堿與蘋果酸的結(jié)合情況,制備共晶并研究其晶體結(jié)構(gòu),可為新型煙草制品的配方開發(fā)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。
本文采用溶液反應(yīng)重結(jié)晶的方法制備獲得煙堿-蘋果酸鹽,利用UN、FT-IR、TG/DSC、XRD、1H-NMR等[6]手段對產(chǎn)物進行表征,利用單晶X射線衍射[7]解析煙堿-蘋果酸鹽的晶體結(jié)構(gòu),探明了共晶分子的空間構(gòu)型和分子間的非共價相互作用方式。利用CrystalExplorer軟件中“能量框架”[8]模塊,從理論上系統(tǒng)地分析了共晶中煙堿與蘋果酸分子的相互作用能,將分子間作用能轉(zhuǎn)化為框架結(jié)構(gòu),使分子間作用能關(guān)系實現(xiàn)了可視化。本文的研究結(jié)果,對深刻認識煙堿-蘋果酸鹽結(jié)構(gòu)及分子間相互作用關(guān)系具有參考價值。
1 實驗部分
1.1 試劑及儀器
煙堿(見圖1(a))標準品購自加拿大TRC化學(xué)品公司,純度≥99%;蘋果酸(見圖1(b))標準品購自成都化夏化學(xué)試劑有限公司;乙醇和乙酸乙酯為分析純,由成都科龍化工試劑廠提供;水為自制的三次蒸餾水。
紫外一可見分光光度計為TU1901型(中國北京普析通用儀器有限責任公司);傅里葉紅外光譜儀為Nicolet 6700型(美國賽默飛科技有限公司);熱重分析為TG209F1 Iris型熱重分析儀(德國耐馳儀器制造有限公司);示掃描量熱儀為DSC 8500型差示掃描量熱儀(美國珀金埃爾默公司);粉末X射線衍射儀為X' Pert PRO衍射儀(荷蘭帕納科分析有限公司);單晶X射線衍射儀為CD Xcalibur Nova型X-射線單晶衍射儀(英國牛津儀器公司);差核磁共振波譜儀為AV Ⅱ-400型核磁共振波譜儀(德國布魯克公司)。
1.2 方法及條件
采用溶劑揮發(fā)法[9]制備煙堿-蘋果酸鹽單晶體。將蘋果酸2.83g加入5mL乙醇溶液,并用水浴加熱(60℃)溶解制成飽和溶液,隨后充分攪拌并滴加3.228mL煙堿(摩爾比1:1),控制pH在5.8左右。再加入6mL乙酸乙酯使之出現(xiàn)乳白色渾濁,繼續(xù)攪拌(450r/min)反應(yīng)3h后在室溫下靜置12h。最后,將過濾得到的固體進行干燥,得到微黃色粉末。取一定量上述反應(yīng)中得到的微黃色粉末狀固體溶于乙醇中,于室溫避光條件下,緩慢揮發(fā)溶劑,在避光條件下重結(jié)晶,得到高純度的煙堿-蘋果酸單晶體產(chǎn)物。
儀器測定條件。紫外光譜法:分別將蘋果酸、煙堿、煙堿-蘋果酸固體產(chǎn)物溶解在水中,測量190350nm之間的紫外吸收峰。紅外光譜法:紅外光譜實驗以空氣為背景,采用KBr壓片法測量,每次對于信號進行64次掃描累加,測定的頻率范圍為4000~400cm-1。熱重分析法(TGA):N2保護,氣體流量為20mL/min,檢測溫度范圍為30~600℃,升溫速率為10℃/min,取5.0~8.0mg樣品置于敞口陶瓷坩堝中檢測。差示掃描量熱法(DSC):N1保護,氣體流量為20mL/min,檢測溫度范圍為40~300℃,升溫速率為10℃/min,取3.0~5.0mg樣品置于40μL氧化鋁坩堝中檢測。粉末X射線衍射法(PXRD):Cu-Ka射線,IKα2=IKα1=0.5,λ1=1.540 598,λ2=1.544426,管壓為40kV,管電流為40mA,發(fā)散狹縫1°,防散狹縫為2°,掃描范圍2θ=4°~50°,掃描步長為0.02626(2θ),掃描速度為30ms/step。單晶X射線衍射法(SXRD):采用Mo-Ka射線(λ=0.71073),溫度293.15K,掃描范圍θ=3.13°~26.37°,晶體結(jié)構(gòu)解析和精修采用Olex2-1.1軟件完成。核磁共振氫譜:核磁共振氫譜采用Agilentl100-400MHz型核磁共振儀測定,DMSO-d6為溶劑,TMS為內(nèi)標。測定煙堿、蘋果酸和煙堿-蘋果酸結(jié)合產(chǎn)物的核磁共振一維氫譜。
煙堿-蘋果酸鹽晶體結(jié)構(gòu)的理論分析,利用CrystalExplorer軟件中‘能量框架”模塊。分析過程中,所使用的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)為單晶X射線衍射法解析得出,未經(jīng)過進一步的優(yōu)化處理。能量框架是建立在分子間作用能基礎(chǔ)上的能夠可視化識別晶體結(jié)構(gòu)中分子間能量關(guān)系的工具[10]。文中利用B3LYP/6-31G(d,p)水平[11],指定一個煙堿或蘋果酸分子,將該分子周圍3.8A距離內(nèi)所有分子作為相互作用能量分析對象,進行分子間作用能的分析。最后,通過圓柱體表示分子間相互作用能(圓柱體半徑與作用能大小成正比),構(gòu)建煙堿-蘋果酸共晶晶體結(jié)構(gòu)“能量框架”。能量框架中比例因子為200,相互作用能量小于20kJ/mol被忽略。
2 結(jié)果與討論
2.1 紫外光譜分析
單一蘋果酸、單一煙堿及煙堿-蘋果酸固體產(chǎn)物的紫外吸收如圖2所示。從圖中可以清晰看出,固體蘋果酸在260mm處沒有紫外吸收,煙堿的吸收峰是在262nm和208nm,產(chǎn)物的吸收峰在260mm和202nm。對比產(chǎn)物和單一煙堿,產(chǎn)物的峰均有略微的藍移,可能是蘋果酸的酸性導(dǎo)致。另外產(chǎn)物中260nm的特征吸收峰說明在得到的固體產(chǎn)物溶解后存在煙堿[12]。說明很有可能有煙堿-蘋果酸結(jié)合產(chǎn)物的生成。
2.2 紅外光譜分析
單一蘋果酸、單一煙堿及煙堿-蘋果酸固體產(chǎn)物的紅外光譜如圖3所示。從圖中可以看出,3種樣品的主要官能團特征紅外吸收頻率都集中在3000~2800cm-1,1700~1500cm-1,1500~800cm-1等頻率區(qū)間。對比單一煙堿、單一蘋果酸和煙堿-蘋果酸產(chǎn)物紅外光譜中的出峰位置,煙堿-蘋果酸產(chǎn)物紅外光譜中的1700cm-1特征吸收峰對比蘋果酸本身1750cm-1的特征吸收峰有一定位移,說明梭基參與了反應(yīng),很可能已經(jīng)成鹽。3550cm-1左右的羧酸中的O-H伸縮振動峰向3450cm-1處偏移,進一步說明羧酸參與了反應(yīng)[13]。
2.3 熱重/差示掃描量熱法
熱分析是共晶鹽形成的有效分析方法[14-15]。熱分析研究均采用10℃/min的加熱速率,從40℃測量至300℃。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理,得到3種樣品的TG圖(見圖4(a))和DSC圖(見圖4(b))。熱重測試結(jié)果表明,單一煙堿在70~175℃范圍有緩慢失重,從175℃開始失重速度加快,到250℃幾乎沒有殘余物質(zhì)。同理,熱重結(jié)果顯示蘋果酸從120~210℃均有緩慢失重,從210℃開始失重速度加快,到280℃幾乎沒有殘余物質(zhì)。而煙堿-蘋果酸結(jié)合產(chǎn)物在100~180℃區(qū)間有一個緩慢失重過程,在180~260℃加速失重分解,在260℃幾乎沒有殘余物質(zhì)。說明煙堿和蘋果酸結(jié)合產(chǎn)物存在相互作用,形成了共晶鹽復(fù)合物,使得該樣品的開始失重點和失重完成點都有一定程度的變化。
DSC曲線表明,單一煙堿在245℃左右,吸熱速率達到最大值,說明單一煙堿在245℃附件劇烈氣化;蘋果酸在109℃左右,吸熱速率達到局部峰值,這是蘋果酸中的水分吸熱氣化造成的,在274℃左右,吸熱速率又達到峰值,說明蘋果酸在274℃附近發(fā)生劇烈氣化;而煙堿-蘋果酸結(jié)合產(chǎn)物在120℃和200℃左右吸熱速率峰值,煙堿-蘋果酸結(jié)合產(chǎn)物的劇烈氣化溫度皆低于單一煙堿和單一蘋果酸,說明煙堿和蘋果酸形成的復(fù)合物氣化溫度降低。
2.4 粉末X-射線衍射法(PXRD)分析
單一蘋果酸和煙堿-蘋果酸鹽的PXRD譜圖如圖5所示,各自主要峰位如表1所示。分析對比可知,相比于單一蘋果酸,煙堿-蘋果酸鹽的特征衍射峰發(fā)生顯著變化,有大量新峰生成以及舊峰消失[16-17]。因此,煙堿與蘋果酸反應(yīng),生成煙堿-蘋果酸鹽的結(jié)果得到證實。
2.5 核磁共振氫譜分析
核磁共振是分析藥物共晶最有力的方法之一[18]。單一蘋果酸、單一煙堿及煙堿-蘋果酸固體產(chǎn)物的核磁共振氫譜如圖6所示。結(jié)果為單一煙堿:1H NMR(400MHz,DMSO-d6),δ:8.47(d,1H,C5-H),8.45(dd,1H,Cl-H),7.72(dt,1H,C3-H),7.35(qd,1H,C2-H),3.15(td,1H,C9-Ha),3.09(t,1H,C6-H),225(t,1H,C9-Hb),2.16(m,1H,C7-Hb),2.06(s,3H,CH3),1.84(m,1H,C8-Ha),1.75(m,1H,C8-Hb),1.58(m,1H,C7-Ha)。單一蘋果酸:1HNMR(400MHz,DMSO-d6),δ:12.423(s,2H,COOH),5.415(s,1H,OH),4255(q,1H,C2-H),2.580(d,1H,C3a-H),2.426(d,1H,C3b-H)。
通過分析煙堿、蘋果酸和煙堿-蘋果酸結(jié)合產(chǎn)物的核磁共振氫譜圖,煙堿-蘋果酸結(jié)合產(chǎn)物的核磁圖譜上的羧基峰明顯消失,且產(chǎn)物的峰對比兩者的疊加有一定的位移。說明產(chǎn)物中的煙堿和蘋果酸上的氫原子的化學(xué)環(huán)境有一定的改變,即煙堿和蘋果酸反生了反應(yīng)。
2.6 單晶結(jié)構(gòu)分析
煙堿-蘋果酸鹽晶體學(xué)參數(shù)如表2所列,煙堿-蘋果酸共晶體屬斜方晶系,P212121空間群。圖7所示為煙堿-蘋果酸鹽的晶胞,可以看到一個晶胞中包含4個煙堿陽離子和4個蘋果酸陰離子。
煙堿-蘋果酸共鹽結(jié)構(gòu)中所含離子鍵和氫鍵如圖8所示,具體參數(shù)列于表3中。煙堿-蘋果酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中含1種離子鍵(N2412…01)fn 5種氫鍵(05-H5A…01,05-H5A…02,C1-H1…O2,C8-H8B…O4和C10-H10B…O4),這些作用力維系了煙堿-蘋果酸鹽晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。
圖9為煙堿-蘋果酸鹽晶體結(jié)構(gòu)堆積圖。煙堿離子和蘋果酸離子間次排為兩列,兩列之間以離子鍵和氫鍵相連接構(gòu)成一個循環(huán)單元。不同的循環(huán)單元之間沒有氫鍵相連,只靠分子間作用力堆積而成。整體構(gòu)成了一個層狀結(jié)構(gòu)。
圖10為制得的煙堿-蘋果酸鹽的粉末衍射圖樣與單晶結(jié)果通過mercury模擬結(jié)果對比圖。實測煙堿-蘋果酸鹽產(chǎn)品的粉末衍射圖樣為紅色線,單晶模擬結(jié)果為黑色線。從圖中可知,兩者之間主要出峰位置均吻合較好,說明制得的煙堿-蘋果酸鹽產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)確為單晶解析結(jié)果所示結(jié)構(gòu),同時也說明晶體結(jié)構(gòu)的單晶衍射解析結(jié)果合理及可靠。煙堿-蘋果酸鹽產(chǎn)品的粉末衍射圖樣顯示,其在29值為7.340,12.14°,14.71°,15.45°,15.99°,16.28°,17.49°,18.28°,18.75°,19.35°,21.70°,22.15°,23.25°,24.38°,24.68°,25.04°,25.78°,26.33°,27.64°,28.10°,28.83°,29.73°,30.49°,和30.93°等處有衍射吸收峰,這也為后續(xù)煙堿-蘋果酸鹽產(chǎn)品的鑒定提供了一種快速的分析方法。
2.7 作用能及能量框架分析
利用CrystalExplorer軟件中“相互作用能”和“能量框架”模塊,從理論上系統(tǒng)地研究了煙堿-蘋果酸鹽晶體中分子間的作用方式和作用能的大小。利用CrystalExplorer軟件分析可以得到的相互作用能主要包括靜電能(Eele)、極化能(Epos)、色散能(Edis)和排斥能(Erep)。總相互作用能(Etot)可由如下公式計算:
Etot=keleEele+kpolEpol+kdisEdis+krepErep(1)其中kele=1.057,kpol=0.740,kdis=0.871,krep=0.618[6]。
利用B3LYP/6-31G(d;p)波函數(shù),指定一個煙堿分子,將該分子周圍3.8A距離內(nèi)所有分子作為相互作用能量分析對象,進行分子間作用能的分析。分析得到如圖11所示的能量關(guān)系圖以及如表4所示的相互作用能數(shù)據(jù)。圖11中不同顏色分子代表著與中心煙堿分子具有不同的相互作用能(分別從a軸、b軸和c軸方向觀看)。分析表3和圖11可知,在以煙堿為中心,3.8A距離范圍內(nèi),煙堿分子與周圍分子存在12種不同的相互作用能。其中,煙堿分子與最近的蘋果酸分子由于形成N2-H2…O2氫鍵而具有最大的總相互作用能(-23.4kJ/mol)。
利用B3LYP/6-31G(d,p)波函數(shù),指定一個蘋果酸分子,將該分子周圍3.8A距離內(nèi)所有分子作為相互作用能量分析對象,進行分子間作用能分析。分析得到如圖12所示的能量關(guān)系圖以及如表5所示的相互作用能數(shù)據(jù)。圖12中不同顏色分子代表著與中心蘋果酸分子具有不同的相互作用能(分別從a軸、b軸和c軸方向觀看)。分析表5和圖12可知,在以蘋果酸為中心,3.8A距離范圍內(nèi),蘋果酸分子與周圍分子存在10種不同的相互作用能。這10種不同的相互作用能與表4的作用能有所重復(fù),但添加了蘋果酸分子之間的相互作用能,補全了整個體系中不同分子之間的全部相互作用能。其中,依然是蘋果酸分子與最近的煙堿分子形成N2-H2…O2氫鍵而具有最大的總相互作用能(-23.4kJ/mol)。
在構(gòu)建煙堿一蘋果酸鹽晶體結(jié)構(gòu)中“能量框架”時,通過圓柱體表示分子間相互作用能(圓柱體半徑與作用能大小成正比),能量框架中比例因子為200,相互作用能量小于5kJ/mol被忽略。煙堿一蘋果酸鹽“能量框架”圖(分別從a軸、b軸和c軸方向觀察)如圖13所示,從圖13可以看出煙堿-蘋果酸鹽總體能量框架主要由形如正方體的能量框架單體組合而成,在正方體能量框架單體內(nèi)部有較小的相互作用能(圓柱體半徑較?。┻B接。在從b軸和c軸觀察能量框架時,可以看到黃色的圓柱體結(jié)構(gòu),這是晶體結(jié)構(gòu)中存在不穩(wěn)定的相互作用能(總相互作用能為正值)所造成的。這說明整個晶體結(jié)構(gòu)中存在不穩(wěn)定因素,煙堿-蘋果酸復(fù)合物較易分解為煙堿和蘋果酸單體,從整體能力框架的柱體大小來看,整個晶體的框架也處于較“薄弱”狀態(tài)(框架中的圓柱體半徑都處于較小水平,最大的相互作用能僅為-3.4 kJ/mol),這也說明煙堿-蘋果酸鹽復(fù)合物較易分解為煙堿和蘋果酸單體的特性。
3 結(jié)束語
本文通過液相反應(yīng)制備得到煙堿-蘋果酸鹽產(chǎn)物,采用溶劑揮發(fā)法獲得煙堿-蘋果酸鹽單晶體,并通過UV、FT-IR、 TGA/DSC、1H-NMR、PXRD、SXRI)等方法表征和分析了共晶鹽的結(jié)構(gòu)特性。煙堿-蘋果酸鹽由一個加氫的煙堿陽離子(二價)與一個蘋果酸陰離子(二價)以離子鍵和氫鍵結(jié)合,晶體結(jié)構(gòu)屬正交晶系,P212121空間群。相互作用能分析結(jié)果表明:煙堿分子與最近的蘋果酸分子形成N2-H2…O2氫鍵具有最大的總相互作用能(-23.4kJ/mol)。能量框架研究結(jié)果表明:煙堿退聲果酸鹽總體能量框架主要由形如正方體的能量框架單體組合而成,在正方體能量框架單體內(nèi)部有較小的相互作用能(圓柱體半徑較?。┻B接。本研究系統(tǒng)地分析了煙堿-蘋果酸鹽的晶體結(jié)構(gòu),探究了共晶中煙堿與蘋果酸分子間的相互作用關(guān)系,對構(gòu)建煙堿一蘋果酸鹽具有參考作用。
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(編輯:莫婕)