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质谱法历史

質譜法歷史最早始于物質性質的物理和化學研究。19世紀中葉對氣體放電的研究導致發現了陽極和陰極射線,結果證明它們是離子電子。 提高分離這些正離子的能力而發現元素的同位素。第一個發現是元素,質譜證明它至少有兩種穩定同位素: 20氖(10個質子、10個中子)以及22氖 (10個質子、12個中子)。在曼哈頓計劃中,質譜儀亦曾用於分離製造核武器所需的鈾同位素[1]

弗朗西斯·阿斯顿的第三代質譜儀.
1975年於美國國家衛生院使用的質譜儀

發展 编辑

普朗克假說 编辑

普朗克假說是 19 世紀前期試圖利用原子的內部結構來解釋化學元素的性質。1815 年,英國化學家普朗克觀察到已測量的原子量原子量的整數倍。[2][3] 普朗克假說在整個 1820 年代於化學領域仍具影響力。 然而,對原子量的更仔細測量,如 1828 年 Jöns Jakob Berzelius 或 1832 年Edward Turner在 1832 年似乎反駁了它。特別是的原子量是的 35.45 倍,當時無法用普朗克假說來解釋。 解決這個問題需要大半個世紀的時間。

陽極射線 编辑

 
陽極射線管

19 世紀中葉,Julius Plücker研究了真空管中發出的光以及磁場對輝光的影響。[4] 後來,在 1869 年,Johann Wilhelm Hittorf 研究了從負極(陰極)延伸出能量射線的真空管。這些射線在撞擊管子的玻璃壁時會產生螢光,當被固體物體屏蔽時,它們會投出陰影。

Eugen Goldstein 於 1886 年觀察到陽極射線。Goldstein 使用具有穿孔陰極的氣體放電管。 射線在陰極的孔(通道)中產生,並以與“陰極射線”相反的方向傳遞即電子流。Goldstein 將這些正射線稱為“Kanalstrahlen”——陽極射線。

同位素的發現 编辑

 
右下角是氖的兩種同位素:氖-20 和氖-22。

1913 年,作為探索陽極射線組成的一部分,J. J. Thomson 將電離的氖氣流引導通過磁場和電場,並使其通過在路徑中的一個底片來測量偏轉狀況。Thomson 在底片上觀察到兩塊光斑(見左圖),這表明了兩條不同的偏轉拋物線。Thomson 得出結論,氖氣由兩種不同原子質量的原子組成(氖-20 和氖-22)。[5]

Thomson 的學生 Francis William Aston [6] 繼續在劍橋的卡文迪許實驗室進行研究,並在 1919 年報導了第一台全功能質譜儀[7]。 他識別了(35 和 37)、(79 和 81)和(78、80、82、83、84 和 86)的同位素,證明這些天然存在的元素是由同位素組合組成的。在質譜儀中使用電磁聚焦使他能夠迅速識別出 287 種天然同位素中的不少於 212 種。 1921 年,Francis William Aston 成為英國皇家學會會員,並於次年獲得諾貝爾化學獎。

他在同位素方面的工作也導致他制定了整數規則,該規則指出“氧同位素的質量被定義為 16 ,所有其他同位素的質量都非常接近整數”,該規則被使用於發展核能。 而測量了許多同位素的精確質量,使氫的質量比其他元素的平均質量預期的質量高 1 %。 Aston 在 1936 年推測了亞原子能及其用途。

1918 年,Arthur Jeffrey Dempster [8] 發表了他的質譜儀,確立了至今仍在使用的質譜儀的基本理論和設計。 Dempster 在其職業生涯中的研究圍繞在質譜儀及其應用,導致他在 1935 年發現了同位素235U。 這種同位素引起迅速擴大的核分裂核連鎖反應的能力使原子彈核能得以發展。

1932 年,Kenneth Bainbridge開發了一種質譜儀,其分辨率為 600,相對精度為萬分之一。[9] 他用這台儀器驗證了質量守恆,E = mc2[10]



曼哈頓計畫 编辑

 
1945年 於Oak Ridge, TennesseeY-12 國家安全大樓的Calutron 質譜儀

電磁型同位素分離器 是一種扇形質譜儀,用於分離 Ernest O. Lawrence[11]曼哈頓計劃期間開發的同位素,類似於 Lawrence 發明的迴旋加速器。 它的名字是 Cal 的串接。 U.-tron,向加州大學勞倫斯分校和洛斯阿拉莫斯國家實驗室致敬。[12] 它們在戰爭期間建立的田納西州橡樹嶺 Y-12 用於工業規模的濃縮鈾,並提供了用於 1945 年投放到廣島小男孩原子彈的大部分鈾。


氣相層析儀串接質譜儀的發展 编辑

Roland Gohlke 和 Fred McLafferty 在 1950 年代開發了在氣相層析儀中使用質譜儀作為檢測器。[13][14][15]以負擔得起的小型計算機之發展有助於簡化該儀器的使用,並大大縮短了分析樣品所需的時間。

傅立葉轉換質譜儀 编辑

傅立葉轉換離子迴旋共振質譜法由英屬哥倫比亞大學的Alan G. Marshall和Melvin B. Comisarow於 1974 年開發。[16] 其靈感來自早期傳統 ICR 和傅立葉轉換核磁共振 (FT-NMR) 光譜學的發展。


軟性電離法 编辑

 
用於 John Fenn 獲得諾貝爾獎的電噴霧電離工作的單四極質譜儀

1969 年,Beckey 首次報導了場解吸電離。[17] 在電場電離中,將高電位電場施加到具有尖銳表面的發射器上,例如刮鬍刀片,或者更常見的是長出微小“晶須”的燈絲。 這會產生一個非常高的電場,其中電子隧穿可以導致氣態分析物分子的電離。 FI 產生的質譜幾乎沒有或沒有碎裂,主要由分子自由基陽離子 M+.。 偶爾質子化分子  

化學電離是在 1960 年代發展起來的。[18][19][20]樣品(分析物)的電離是通過其分子與試劑離子的相互作用來實現的。 分析物在離子源碰撞過程中通過離子-分子反應離子化。 該過程可能涉及電子、質子或其他帶電物質在反應物之間的轉移。 這是一個比電子電離能量更低的過程,並且產生的離子例如是質子化分子:[M + H]+。 這些離子通常相對穩定,不會像電子電離產生的離子那樣容易碎裂。

基質輔助激光解吸/電離 (MALDI) 是一種用於質譜分析的軟電離技術,可以分析生物分子(如蛋白質多肽等生物聚合物)和大有機分子(如聚合物樹枝狀聚合物和其他大分子),當透過更傳統的電離方法電離時,它們往往會變得脆弱和破碎。它在相對柔軟度和產生的離子方面與電噴霧電離最相似(儘管它產生的多電荷離子要少得多)。該詞於 1985 年由Franz Hillenkamp、Michael Karas和他們的同事首次使用。[21] 這些研究人員發現,如果將氨基酸丙氨酸色氨酸混合併用脈衝 266 nm 激光照射,則可以更容易地電離丙氨酸。色氨酸能吸收激光能量並輔助不吸收的丙氨酸電離。當與這種“基質”混合時,可以將高達 2843 Da 蜂毒肽的肽離子化。[22]

大分子激光解吸電離的突破出現在 1987 年,當時 Shimadzu Corp. 的Koichi Tanaka和他的同事使用了他們所謂的 “超細金屬加液體基質法”,將甘油中的 30 nm 顆粒與 337 nm 結合在一起用於電離的激光。[23]使用這種激光和基質組合,Tanaka 能夠電離與 34,472 Da 蛋白羧肽酶-A 一樣大的生物分子。 Tanaka 獲得了 2002 年諾貝爾化學獎的四分之一,因為他證明,通過激光波長和基質的適當組合,蛋白質可以被電離。 [24]Karas 和 Hillenkamp 隨後能夠使用菸酸基質和 266 nm 激光電離 67 kDa 蛋白白蛋白。 [25] 通過使用 355 nm 激光和肉桂酸衍生物阿魏酸咖啡酸芥子酸作為基質,實現了進一步的改進。[26] 在 337 nm 波長下運行的小型且相對便宜的氮激光器的可用性以及 1990 年代初推出的第一批商業儀器使 MALDI 吸引了越來越多的研究人員。[27]直到今天,大多數有機物質會使用於 MALDI 質譜。

時間軸 编辑

十九世紀 编辑

1886年
Eugen Goldstein 發現 陽極射線.
1898年
 
Wilhelm Wien
Wilhelm Wien證明陽極射線可以使用強電場和磁場偏轉。 並表示粒子的質荷比具有相反的極性,並且與電子相比要大得多。 他還發現到粒子質量類似於氫粒子。
1898年
J. J. Thomson 測量了電子的質荷比

二十世紀 编辑

1901年
Walter Kaufmann 使用質譜儀測量到隨電子增加、相對原子質量會增加.
1905年
J. J. Thomson開始他對正射線的研究。
1906年
Thomson 被授予諾貝爾物理學獎“以表彰他對氣體電離的理論和實驗研究的巨大貢獻”
1913年
Thomson 能夠分離不同質荷比的粒子。如 20氖及22氖同位素, 他正確分了 m/z = 11 之訊號為 22氖的碎片.[28]
1919年
Francis Aston 構建了第一台質量分辨能力為130的速度聚焦質譜儀。
1922年
Aston 因“通過質譜儀發現了大量非放射性元素中的同位素,並闡明了整數規則”而獲得諾貝爾化學獎。
1931年
 
Ernest O. Lawrence
Ernest O. Lawrence 發明了迴旋加速器.
1934年
Josef Mattauch and Richard Herzog 發展雙焦式質譜儀。
1936年
Arthur J. Dempster發展了火花游離法
1937年
Aston 構建分辨率為 2000 的質譜儀。
1939年
Lawrence 因迴旋加速器獲頒諾貝爾物理學獎.
1942年
Lawrence 發明電磁型同位素分離器 Calutron同位素分離.
1943年
Westinghouse 推銷其質譜儀,並宣稱它是 “一種用於快速、準確氣體分析的新電子方法”
1946年
William Stephens 提出了飛行時間質譜儀。
1954年
A. J. C. Nicholson 提出了一種氫轉移反應,該反應將被稱為 McLafferty 重排反應[29]
1959年
陶氏化工 的研究人員將 氣相層析儀 連接到質譜儀
1964年
英國質譜學會作為第一個專門的質譜學會成立並於它於 1965 年在倫敦舉行了第一次會議。
1966年
F. H. Field 及 M. S. B. Munson 發展 化學游離法.
1968年
Malcolm Dole 開發了電噴霧電離。
1969年
H. D. Beckey 發展電場解離法.
1974年
Comisarow and Marshall 發展 傅立葉轉換離子迴旋共振質譜法.
1976年
Ronald MacFarlane 及其同事發展 電漿解離質譜法.
1984年
John Bennett Fenn 和同事 use 電灑 以解離生物分子.
1985年
Franz Hillenkamp, Michael Karas 和同事描述並創造了 基質輔助激光解吸/電離 (MALDI)
1987年
Koichi Tanaka 使用 “超細金屬加液體基質法” 電離完整蛋白質。
1989年
Wolfgang Paul 因“開發離子阱技術”而獲頒諾貝爾物理學獎。
1999年
Alexander Makarov 發表了 軌道阱質譜[30]

二十一世紀 编辑

2002年
John Bennett Fenn and Koichi Tanaka“開發用於生物大分子質譜分析的軟解吸電離方法”而獲得諾貝爾化學獎的四分之一。
2005年
軌道阱質譜儀商業化
2008年
美國質譜學會 開始頒發質譜傑出貢獻獎

看更多 编辑

參考來源 编辑

  1. ^ Maher, Simon; Jjunju, Fred P. M.; Taylor, Stephen. Colloquium: 100 years of mass spectrometry: Perspectives and future trends. Rev. Mod. Phys. 2015, 87 (1): 113–135. Bibcode:2015RvMP...87..113M. doi:10.1103/RevModPhys.87.113. 
  2. ^ William Prout (1815). On the relation between the specific gravities of bodies in their gaseous state and the weights of their atoms. Annals of Philosophy, 6: 321–330. Online reprint 互联网档案馆的,存档日期March 9, 2016,.
  3. ^ William Prout (1816). Correction of a mistake in the essay on the relation between the specific gravities of bodies in their gaseous state and the weights of their atoms. Annals of Philosophy, 7: 111–13. Online reprint 互联网档案馆的,存档日期March 9, 2016,.
  4. ^ Julius Plücker. Encyclopædia Britannica Online Academic Edition.. Encyclopædia Britannica Inc. 
  5. ^ JJ Thomson (1913), Rays of positive electricity 互联网档案馆的,存档日期November 4, 2016,., Proceedings of the Royal Society, A 89, 1-20 — Discovery of neon isotopes
  6. ^ Downard, KM. Francis William Aston - The Man Behind the Mass Spectrograph. European Journal of Mass Spectrometry. 2009, 13 (3): 177–190. PMID 17881785. doi:10.1255/ejms.878. 
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  30. ^

參考書目 编辑

  • Measuring Mass: From Positive Rays to Proteins by Michael A. Grayson (Editor) (ISBN 0-941901-31-9)
  • Maher, Simon; Jjunju, Fred P. M.; Taylor, Stephen. Colloquium: 100 years of mass spectrometry: Perspectives and future trends. Rev. Mod. Phys. 2015, 87: 113–135. Bibcode:2015RvMP...87..113M. doi:10.1103/RevModPhys.87.113. 

外部連結 编辑

  • History of Mass Spectrometry - Pioneers - University of New South Wales Sydney (页面存档备份,存于互联网档案馆

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Berzelius 或 1832 年Edward Turner在 1832 年似乎反駁了它 特別是氯的原子量是氫的 35 45 倍 當時無法用普朗克假說來解釋 解決這個問題需要大半個世紀的時間 陽極射線 编辑 nbsp 陽極射線管19 世紀中葉 Julius Plucker研究了真空管中發出的光以及磁場對輝光的影響 4 後來 在 1869 年 Johann Wilhelm Hittorf 研究了從負極 陰極 延伸出能量射線的真空管 這些射線在撞擊管子的玻璃壁時會產生螢光 當被固體物體屏蔽時 它們會投出陰影 Eugen Goldstein 於 1886 年觀察到陽極射線 Goldstein 使用具有穿孔陰極的氣體放電管 射線在陰極的孔 通道 中產生 並以與 陰極射線 相反的方向傳遞即電子流 Goldstein 將這些正射線稱為 Kanalstrahlen 陽極射線 同位素的發現 编辑 nbsp 右下角是氖的兩種同位素 氖 20 和氖 22 1913 年 作為探索陽極射線組成的一部分 J J Thomson 將電離的氖氣流引導通過磁場和電場 並使其通過在路徑中的一個底片來測量偏轉狀況 Thomson 在底片上觀察到兩塊光斑 見左圖 這表明了兩條不同的偏轉拋物線 Thomson 得出結論 氖氣由兩種不同原子質量的原子組成 氖 20 和氖 22 5 Thomson 的學生 Francis William Aston 6 繼續在劍橋的卡文迪許實驗室進行研究 並在 1919 年報導了第一台全功能質譜儀 7 他識別了氯 35 和 37 溴 79 和 81 和氪 78 80 82 83 84 和 86 的同位素 證明這些天然存在的元素是由同位素組合組成的 在質譜儀中使用電磁聚焦使他能夠迅速識別出 287 種天然同位素中的不少於 212 種 1921 年 Francis William Aston 成為英國皇家學會會員 並於次年獲得諾貝爾化學獎 他在同位素方面的工作也導致他制定了整數規則 該規則指出 氧同位素的質量被定義為 16 所有其他同位素的質量都非常接近整數 該規則被使用於發展核能 而測量了許多同位素的精確質量 使氫的質量比其他元素的平均質量預期的質量高 1 Aston 在 1936 年推測了亞原子能及其用途 1918 年 Arthur Jeffrey Dempster 8 發表了他的質譜儀 確立了至今仍在使用的質譜儀的基本理論和設計 Dempster 在其職業生涯中的研究圍繞在質譜儀及其應用 導致他在 1935 年發現了鈾同位素235U 這種同位素引起迅速擴大的核分裂與核連鎖反應的能力使原子彈和核能得以發展 1932 年 Kenneth Bainbridge開發了一種質譜儀 其分辨率為 600 相對精度為萬分之一 9 他用這台儀器驗證了質量守恆 E mc2 10 曼哈頓計畫 编辑 nbsp 1945年 於Oak Ridge TennesseeY 12 國家安全大樓的Calutron 質譜儀電磁型同位素分離器 是一種扇形質譜儀 用於分離 Ernest O Lawrence 11 在曼哈頓計劃期間開發的鈾同位素 類似於 Lawrence 發明的迴旋加速器 它的名字是 Cal 的串接 U tron 向加州大學勞倫斯分校和洛斯阿拉莫斯國家實驗室致敬 12 它們在戰爭期間建立的田納西州橡樹嶺 Y 12 用於工業規模的濃縮鈾 並提供了用於 1945 年投放到廣島的小男孩原子彈的大部分鈾 氣相層析儀串接質譜儀的發展 编辑 Roland Gohlke 和 Fred McLafferty 在 1950 年代開發了在氣相層析儀中使用質譜儀作為檢測器 13 14 15 以負擔得起的小型計算機之發展有助於簡化該儀器的使用 並大大縮短了分析樣品所需的時間 傅立葉轉換質譜儀 编辑 傅立葉轉換離子迴旋共振質譜法由英屬哥倫比亞大學的Alan G Marshall和Melvin B Comisarow於 1974 年開發 16 其靈感來自早期傳統 ICR 和傅立葉轉換核磁共振 FT NMR 光譜學的發展 軟性電離法 编辑 nbsp 用於 John Fenn 獲得諾貝爾獎的電噴霧電離工作的單四極質譜儀1969 年 Beckey 首次報導了場解吸電離 17 在電場電離中 將高電位電場施加到具有尖銳表面的發射器上 例如刮鬍刀片 或者更常見的是長出微小 晶須 的燈絲 這會產生一個非常高的電場 其中電子隧穿可以導致氣態分析物分子的電離 FI 產生的質譜幾乎沒有或沒有碎裂 主要由分子自由基陽離子 M 偶爾質子化分子 M H displaystyle M H nbsp 化學電離是在 1960 年代發展起來的 18 19 20 樣品 分析物 的電離是通過其分子與試劑離子的相互作用來實現的 分析物在離子源碰撞過程中通過離子 分子反應離子化 該過程可能涉及電子 質子或其他帶電物質在反應物之間的轉移 這是一個比電子電離能量更低的過程 並且產生的離子例如是質子化分子 M H 這些離子通常相對穩定 不會像電子電離產生的離子那樣容易碎裂 基質輔助激光解吸 電離 MALDI 是一種用於質譜分析的軟電離技術 可以分析生物分子 如蛋白質 多肽和糖等生物聚合物 和大有機分子 如聚合物 樹枝狀聚合物和其他大分子 當透過更傳統的電離方法電離時 它們往往會變得脆弱和破碎 它在相對柔軟度和產生的離子方面與電噴霧電離最相似 儘管它產生的多電荷離子要少得多 該詞於 1985 年由Franz Hillenkamp Michael Karas和他們的同事首次使用 21 這些研究人員發現 如果將氨基酸丙氨酸與色氨酸混合併用脈衝 266 nm 激光照射 則可以更容易地電離丙氨酸 色氨酸能吸收激光能量並輔助不吸收的丙氨酸電離 當與這種 基質 混合時 可以將高達 2843 Da 蜂毒肽的肽離子化 22 大分子激光解吸電離的突破出現在 1987 年 當時 Shimadzu Corp 的Koichi Tanaka和他的同事使用了他們所謂的 超細金屬加液體基質法 將甘油中的 30 nm 鈷顆粒與 337 nm 氮結合在一起用於電離的激光 23 使用這種激光和基質組合 Tanaka 能夠電離與 34 472 Da 蛋白羧肽酶 A 一樣大的生物分子 Tanaka 獲得了 2002 年諾貝爾化學獎的四分之一 因為他證明 通過激光波長和基質的適當組合 蛋白質可以被電離 24 Karas 和 Hillenkamp 隨後能夠使用菸酸基質和 266 nm 激光電離 67 kDa 蛋白白蛋白 25 通過使用 355 nm 激光和肉桂酸衍生物阿魏酸 咖啡酸和芥子酸作為基質 實現了進一步的改進 26 在 337 nm 波長下運行的小型且相對便宜的氮激光器的可用性以及 1990 年代初推出的第一批商業儀器使 MALDI 吸引了越來越多的研究人員 27 直到今天 大多數有機物質會使用於 MALDI 質譜 時間軸 编辑十九世紀 编辑 1886年Eugen Goldstein 發現 陽極射線 dd 1898年 nbsp Wilhelm WienWilhelm Wien證明陽極射線可以使用強電場和磁場偏轉 並表示粒子的質荷比具有相反的極性 並且與電子相比要大得多 他還發現到粒子質量類似於氫粒子 dd 1898年J J Thomson 測量了電子的質荷比 dd 二十世紀 编辑 1901年Walter Kaufmann 使用質譜儀測量到隨電子增加 相對原子質量會增加 dd 1905年J J Thomson開始他對正射線的研究 dd 1906年Thomson 被授予諾貝爾物理學獎 以表彰他對氣體電離的理論和實驗研究的巨大貢獻 dd 1913年Thomson 能夠分離不同質荷比的粒子 如 20氖及22氖同位素 他正確分了 m z 11 之訊號為 22氖的碎片 28 dd 1919年Francis Aston 構建了第一台質量分辨能力為130的速度聚焦質譜儀 dd 1922年Aston 因 通過質譜儀發現了大量非放射性元素中的同位素 並闡明了整數規則 而獲得諾貝爾化學獎 dd 1931年 nbsp Ernest O LawrenceErnest O Lawrence 發明了迴旋加速器 dd 1934年Josef Mattauch and Richard Herzog 發展雙焦式質譜儀 dd 1936年Arthur J Dempster發展了火花游離法 dd 1937年Aston 構建分辨率為 2000 的質譜儀 dd 1939年Lawrence 因迴旋加速器獲頒諾貝爾物理學獎 dd 1942年Lawrence 發明電磁型同位素分離器 Calutron將鈾同位素分離 dd 1943年Westinghouse 推銷其質譜儀 並宣稱它是 一種用於快速 準確氣體分析的新電子方法 dd 1946年William Stephens 提出了飛行時間質譜儀 dd 1954年A J C Nicholson 提出了一種氫轉移反應 該反應將被稱為 McLafferty 重排反應 29 dd 1959年陶氏化工 的研究人員將 氣相層析儀 連接到質譜儀 dd 1964年英國質譜學會作為第一個專門的質譜學會成立並於它於 1965 年在倫敦舉行了第一次會議 dd 1966年F H Field 及 M S B Munson 發展 化學游離法 dd 1968年Malcolm Dole 開發了電噴霧電離 dd 1969年H D Beckey 發展電場解離法 dd 1974年Comisarow and Marshall 發展 傅立葉轉換離子迴旋共振質譜法 dd 1976年Ronald MacFarlane 及其同事發展 電漿解離質譜法 dd 1984年John Bennett Fenn 和同事 use 電灑 以解離生物分子 dd 1985年Franz Hillenkamp Michael Karas 和同事描述並創造了 基質輔助激光解吸 電離 MALDI dd 1987年Koichi Tanaka 使用 超細金屬加液體基質法 電離完整蛋白質 dd 1989年Wolfgang Paul 因 開發離子阱技術 而獲頒諾貝爾物理學獎 dd 1999年Alexander Makarov 發表了 軌道阱質譜 30 dd 二十一世紀 编辑 2002年John Bennett Fenn and Koichi Tanaka因 開發用於生物大分子質譜分析的軟解吸電離方法 而獲得諾貝爾化學獎的四分之一 dd 2005年軌道阱質譜儀商業化 dd 2008年美國質譜學會 開始頒發質譜傑出貢獻獎 dd 看更多 编辑質譜 化學史 物理史參考來源 编辑 Maher Simon Jjunju Fred P M Taylor Stephen Colloquium 100 years of mass spectrometry Perspectives and future trends Rev Mod Phys 2015 87 1 113 135 Bibcode 2015RvMP 87 113M doi 10 1103 RevModPhys 87 113 William Prout 1815 On the relation between the specific gravities of bodies in their gaseous state and the weights of their atoms Annals of Philosophy 6 321 330 Online reprint 互联网档案馆的存檔 存档日期March 9 2016 William Prout 1816 Correction of a mistake in the essay on the relation between the specific gravities of 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78976368, 维基百科,wiki,书籍,书籍,图书馆,

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