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折射率作為制藥中液體的質(zhì)量控制指標(biāo)
上海奧法美嘉生物科技有限公司 2023/11/10 | 閱讀:425
方案詳情:
折射率作為制藥中液體的質(zhì)量控制指標(biāo) 本文介紹了采用四種分析系統(tǒng)(pH、電導(dǎo)率、滲透壓和折光率)對(duì)九種緩沖液進(jìn)行分析的案例研究比較:九種緩沖液化學(xué)混合物的案例比較pH、電導(dǎo)率、滲透壓和折光率。 介紹 制藥產(chǎn)品的研發(fā)發(fā)現(xiàn)和制造涉及的復(fù)雜過程需要先進(jìn)的過程分析技術(shù),即使是常規(guī)應(yīng)用。此要求適用于不銹鋼和玻璃容器中的大規(guī)模制造工藝以及一次性袋子系統(tǒng)。從培養(yǎng)基和緩沖液制備到滅菌和去污染物污的過程都需要液體化學(xué)濃度、和溫度監(jiān)測(cè)和控制,以確保最佳的工藝性能。任何這些步驟的錯(cuò)誤都可能導(dǎo)致昂貴的產(chǎn)品損失、產(chǎn)品質(zhì)量下降或時(shí)間和勞動(dòng)力損失。然而,雖然任何制藥生產(chǎn)過程中的每一步都代表著代價(jià)高昂的錯(cuò)誤的潛在錯(cuò)誤的來源,但大多數(shù)步驟也可以用作潛在的質(zhì)量控制點(diǎn)。因此,密切監(jiān)控制造過程中的關(guān)鍵步驟是良好制造工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分。 對(duì)液體化學(xué)品進(jìn)行有意義的質(zhì)量控制需要可靠、易于使用、高精度和快速響應(yīng)時(shí)間的分析儀器。目前滿足這些要求的在線方法包括pH、電導(dǎo)率和滲透濃度。簡(jiǎn)而言之,滲透壓濃度是溶質(zhì)濃度的量度,定義為每升溶液中溶質(zhì)的滲透摩爾數(shù)。所有這些可用技術(shù)都面臨著動(dòng)態(tài)范圍、線性度、精度以及檢測(cè)限(LOD)和定量限(LOQ)的限制。此外,這些方法都不是液體化學(xué)濃度的必不可少的基本測(cè)量。在這里介紹的工作中,介紹了一種基于折射率(IoR)的新儀器,并與pH,電導(dǎo)率和滲透濃度進(jìn)行了比較。由于作為濃度監(jiān)測(cè)器的導(dǎo)電性特別高,因此要特別注意比較IoR和電導(dǎo)率測(cè)量結(jié)果。 折射率測(cè)量比pH和電導(dǎo)率具有優(yōu)勢(shì),因?yàn)?/span>IoR是化學(xué)濃度的直接測(cè)量值,而pH和電導(dǎo)率取決于流體的電子特性。,因此,根據(jù)定義是化學(xué)濃度的間接或推斷測(cè)量。在制藥生產(chǎn)中,IoR可用于上游和下游應(yīng)用,而此處介紹的結(jié)果主要集中在下游緩沖液制備應(yīng)用中。傳統(tǒng)的折光儀通過將單一波長(zhǎng)的可見光照射到與被分析流體接觸的棱鏡上來工作。流體的loR是使用斯涅爾定律從臨界角確定的。對(duì)于大多數(shù)液體,簡(jiǎn)單的校準(zhǔn)將loR值轉(zhuǎn)換為以ppm或重量%為單位的化學(xué)濃度。傳統(tǒng)折光儀的局限性在于它們?cè)谕干淠J较鹿ぷ?,其中光通過流體傳播到光學(xué)光檢測(cè)器。這種方法的缺點(diǎn)是光信號(hào)受到流體的衍射和吸收效應(yīng)的影響。本研究中使用的IoR分析儀在反射模式光學(xué)幾何下運(yùn)行。這意味著光從光學(xué)窗口的背面(與被分析的流體接觸)反射到光學(xué)光檢測(cè)器中。通過這種方式,完全減輕了濁度、衍射和吸收的德羅加-托里流體效應(yīng),并且可以方便地測(cè)量不透明流體的濃度。 雖然任何制藥過程中的每一步都代表了代價(jià)高昂的錯(cuò)誤的潛在來源,但大多數(shù)步驟也可以用作潛在的質(zhì)量控制點(diǎn)。 為了探索IoR作為質(zhì)量控制指標(biāo)的有效性,進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn),涉及測(cè)量已知濃度的常用緩沖液成分和溶解在水中的細(xì)胞培養(yǎng)基成分。將 IoR 測(cè)量值與 pH 值、電導(dǎo)率和滲透濃度測(cè)量值進(jìn)行比較。從這些實(shí)驗(yàn)中確定,通過IoR測(cè)量在準(zhǔn)確性,精密度,線性,可檢測(cè)極限(LOD)和定量限(LOQ)方面提供的數(shù)據(jù)優(yōu)于當(dāng)前測(cè)量溶液電導(dǎo)率,pH和滲透壓的方法。LOD被定義為與空白值(一西格瑪)相比可以測(cè)量的物質(zhì)的最低濃度。在這項(xiàng)研究中,LOQ與LOD的區(qū)別在于,在十西格瑪?shù)目煽啃韵驴梢源_定的最低濃度。 實(shí)驗(yàn)方法 對(duì)pH、電導(dǎo)率、滲透濃度和折射率(IoR)進(jìn)行了比較,以確定常規(guī)液體化學(xué)濃度測(cè)量的最佳方法。測(cè)量是在紐約錫拉丘茲的百時(shí)美施貴寶試驗(yàn)工廠進(jìn)行的。pH、電導(dǎo)率和IoR測(cè)量都是在線實(shí)時(shí)進(jìn)行的。使用取樣離線取樣進(jìn)行滲透壓濃度測(cè)量。電導(dǎo)率、pH和滲透壓濃度是根據(jù)其在行業(yè)中的常見用途選擇的,并作為IoR分析儀的基準(zhǔn)。 每種技術(shù)在不同的操作原理下運(yùn)行。電導(dǎo)率是電解液或水溶液中每單位距離電導(dǎo)率的測(cè)量值,其測(cè)量低導(dǎo)電性或非導(dǎo)電性液體的能力受到限制。溶液的pH值是溶劑化氫離子(H+)活性的量度。滲透壓濃度是每升溶液的滲透摩爾數(shù)。這里使用的具體方法是“冰點(diǎn)降低”滲透濃度,其中冰點(diǎn)的差異作為添加到溶劑中的溶質(zhì)的函數(shù)產(chǎn)生溶液的濃度值。冰點(diǎn)降低滲透壓濃度作為一種響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的離線實(shí)驗(yàn)室技術(shù)受到限制。 折射率是一種光學(xué)技術(shù),是溶液濃度的直接測(cè)量。本研究中使用的IoR裝置在反射幾何測(cè)量中運(yùn)行;這意味著光從光學(xué)窗口的背面反射出來,在分析下與溶液接觸并進(jìn)入光電探測(cè)器。這種幾何形狀的優(yōu)勢(shì)是,IoR分析儀可以監(jiān)測(cè)溶液的電子密度,而不會(huì)受到濁度、衍射和吸收等其他光學(xué)效應(yīng)的干擾。此外,IoR 儀器在單個(gè)探頭中包括溫度測(cè)量,從而提供兩個(gè)關(guān)鍵過程參數(shù)(濃度和溫度)的測(cè)量。 IoR、電導(dǎo)率和pH測(cè)量是連續(xù)進(jìn)行的。將pH和電導(dǎo)率探頭放置在流體池中,緩沖化學(xué)品在閉環(huán)中循環(huán)。滲透壓濃度測(cè)量是離線進(jìn)行的。制藥生產(chǎn)中使用的緩沖液組分被連續(xù)添加到各種溶液中。對(duì)于溶質(zhì)的每次增量添加,將折射率的測(cè)量值與電導(dǎo)率的測(cè)量值進(jìn)行比較,并比較兩種測(cè)量方法的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,精密度和線性。文螺柱中使用的緩沖成分包括連續(xù)添加劑添加1。氯化鈉加入含有固定濃度磷酸鈉的溶液中,2.檸檬酸鈉加入到固定濃度的磷酸單鈉溶液中,3.磷酸單鈉添加到氯化鈉中的磷酸單鈉,4.檸檬酸鈉加入磷酸鈉,5.HEPES添加到氯化鈉中,6.將聚山梨酯80加到水中,7.將Triton X-100加到水中。HEPES,4-羥乙基哌嗪乙磺酸4-(2-羥乙基)-1-piper-azineethanesulfonic酸,是一種廣泛用于細(xì)胞培養(yǎng)的有機(jī)化學(xué)緩沖劑。選擇這七種緩沖劑是為了更最好地代表傳統(tǒng)的slat鹽緩沖劑和預(yù)計(jì)將在下游過程中實(shí)現(xiàn)越來越多的使用的更新緩沖劑。對(duì)pH值為7的50mM(mM=milliMolar)HEPES溶液進(jìn)行了檢測(cè)極限(LOD)和定量極限(LOQ)測(cè)量,其中逐漸加入等分的氯化鈉。在這些實(shí)驗(yàn)中,IoR與電導(dǎo)率、pH值和滲透濃度進(jìn)行了比較。LOD和LOQ值是根據(jù)響應(yīng)的方均差和每個(gè)儀器響應(yīng)的斜率作為濃度變化的函數(shù)計(jì)算的。在一組單獨(dú)的培養(yǎng)基制備實(shí)驗(yàn)中,分析了幾種化學(xué)物質(zhì),比較IoR儀器和電導(dǎo)率。其中包括HAM F10、Dulbecco MEM、RPMI 1640、酵母提取物和其他培養(yǎng)基化學(xué)品。 圖1.折射率分析系統(tǒng)。分析儀傳感器頭包含一個(gè)小型化的光學(xué)傳感器,該傳感器與所分析的液體化學(xué)品接觸。 結(jié)果解析 圖1是這些研究中使用的IoR分析儀的圖像。分析儀由兩個(gè)流體單元(一個(gè)流體單元用于冗余)和數(shù)字控制電子設(shè)備組成。流體池包含一個(gè)小型化的IoR傳感器和熱電偶,與所分析的液體化學(xué)品接觸。數(shù)字電子盒對(duì)原始光信號(hào)、IoR 的實(shí)時(shí)溫度濃度進(jìn)行分析,并輸出 IoR 或液體化學(xué)濃度。圖2至圖5是代表本文研究的所有緩沖液制備過程的結(jié)果的數(shù)據(jù)圖表。圖2顯示了本研究中為混合緩沖鹽溶液而獲得的典型數(shù)據(jù)示例。圖中,pH、電導(dǎo)率和IoR與NaPO4(磷酸鈉)濃度的關(guān)系圖。通過將 20 mM 的 NaPO4 加標(biāo)添加到 1 升 NaCl(鈉溶液)中 10 次以達(dá)到氯化鈉中 200 mM 磷酸單鈉的總濃度來進(jìn)行測(cè)量。pH值對(duì)NaPO4濃度變化的響應(yīng)不足。電導(dǎo)率和IoR均對(duì)NaPO4濃度變化表現(xiàn)出出色的響應(yīng)。與其他緩沖液化學(xué)品一樣,IoR表現(xiàn)出比電導(dǎo)率更高的線性度,并且與電導(dǎo)率的R2值0.98相比,最小二乘(R2)擬合置信度為1.00。在所有測(cè)試的緩沖溶液中,IoR 的線性度都較高。 圖2.顯示了折射率(右側(cè)縱軸)以及電導(dǎo)率和pH值(左側(cè)手縱軸)輸出與磷酸鈉濃度(以mM為單位)的關(guān)系。將10個(gè)20mM磷酸鈉濃度加標(biāo)到1L氯化鈉溶液中。 圖 3 顯示了 pH 值、電導(dǎo)率和 IoR 與 HEPES 濃度的函數(shù)關(guān)系。pH和電導(dǎo)率都不能有效地監(jiān)測(cè)HEPES濃度。電導(dǎo)率數(shù)據(jù)與HEPES濃度呈線性關(guān)系;但是,斜率為負(fù)。為了獲得適當(dāng)?shù)碾妼?dǎo)率響應(yīng),電導(dǎo)率應(yīng)隨著HEPES濃度的增加而增加。負(fù)斜率可以解釋為,隨著HEPES濃度的增加,溶液的離子變得越來越少,因此電導(dǎo)率降低。對(duì)于適當(dāng)?shù)臐舛软憫?yīng),人們可以預(yù)期隨著HEPES濃度的增加,電導(dǎo)率值也會(huì)增加,就像圖2中的鹽溶液一樣。因此,電導(dǎo)率無法測(cè)量HEPES濃度,因?yàn)?/span>HEPES是一種非離子溶液,電導(dǎo)率探頭在整個(gè)HEPES濃度范圍內(nèi)提供了錯(cuò)誤的HEPES濃度讀數(shù)。電導(dǎo)率也無法測(cè)量聚山梨酯80和Triton X-100。IoR在所研究的整個(gè)濃度范圍內(nèi)以高度線性測(cè)量HEPES濃度。 圖3.顯示了折射率(右手垂直軸)以及電導(dǎo)率和pH值(左手垂直軸)輸出與HEPES濃度(以mM為單位)的關(guān)系。將六個(gè)20 mM的HEPES濃度加標(biāo)添加到氯化鈉溶液中,使NaCl中的HEPES總濃度為120 mM。 圖4顯示了IoR和電導(dǎo)率與聚山梨酯80(P80)濃度的函數(shù)關(guān)系。將 P80 以 1 mL 加標(biāo)添加到 1 L NaCl 溶液中。電導(dǎo)率無法測(cè)量P80濃度。相比之下,IoR在聚山梨酯80的整個(gè)濃度范圍內(nèi)顯示出高線性。圖5顯示,IoR對(duì)Triton X-100的表現(xiàn)同樣出色,并且電導(dǎo)率無法測(cè)量Triton X-100濃度變化。 圖4.折射率和電導(dǎo)率繪制為添加到 1 升 NaCl 溶液中的聚山梨酯 80 (P80) 濃度加標(biāo)的函數(shù)。電導(dǎo)率沒有響應(yīng),無法測(cè)量P80濃度。 圖5.折射率和電導(dǎo)率繪制為添加到 1 升 NaCl 溶液中的 Triton X-100 濃度加標(biāo)的函數(shù)。電導(dǎo)率沒有反應(yīng),無法測(cè)量Triton X-100濃度。 表A顯示了此處研究的緩沖溶液濃度測(cè)量的IoR和電導(dǎo)率結(jié)果的摘要。折射率顯示出高線性度,能夠測(cè)量整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的所有測(cè)試緩沖溶液的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。電導(dǎo)率測(cè)試方法未能無法測(cè)量七個(gè)緩沖過程中的五個(gè)。此外,IoR 的濃度測(cè)量精度為 ±10 ppm,而電導(dǎo)率的濃度測(cè)量精度為 ±100 ppm。 表A.緩沖溶液濃度測(cè)量的IoR和電導(dǎo)率結(jié)果摘要。 表A.緩沖溶液濃度測(cè)量的IoR和電導(dǎo)率結(jié)果摘要。 圖 6 顯示了此處評(píng)估的每種技術(shù)的 LOD 和 LOQ。這些結(jié)果表明,IoR分析儀在電導(dǎo)率、pH和滲透濃度方面具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于IOR分析儀,LOD和LOQ分別為0.70和2.33。電導(dǎo)率LOD和LOQ比IoR分析儀器儀差兩倍以上,分別為1.76和5.84。 圖6.用于 pH、電導(dǎo)率、折射率和滲透壓濃度測(cè)量的檢測(cè)限 (LOD) 和定量限 (LOQ)。 圖7顯示了培養(yǎng)基制備過程中酵母提取物的IoR分析儀和誘導(dǎo)率的比較。IoR分析儀顯示出優(yōu)異的電導(dǎo)率線性。此處評(píng)估的所有其他培養(yǎng)基制備過程均有類似的結(jié)果。 對(duì)于所有實(shí)驗(yàn),使用折射率(IoR)分析儀測(cè)量的溶質(zhì)濃度在線性(通過數(shù)據(jù)生成的線的R2測(cè)量值)、精度、準(zhǔn)確度(確定的最佳最小二乘線性擬合)、動(dòng)態(tài)范圍和重現(xiàn)性方面優(yōu)于電導(dǎo)率測(cè)量??偨Y(jié): • 為了測(cè)量連續(xù)添加NaCl到恒定溶液[NaPO4]中,IoR的濃度測(cè)量表現(xiàn)出優(yōu)異的線性和精度(通過R2值測(cè)量)。 • 為了測(cè)量將 NaPO4 連續(xù)添加到常數(shù) [NaCl] 溶液中,IoR 測(cè)量表現(xiàn)出卓越的線性度和精度(通過 R2 值測(cè)量)。 • 為了測(cè)量HEPES連續(xù)添加到恒定[NaCl]溶液中,IOR的濃度測(cè)量表現(xiàn)出卓越的線性,精密度和特異性。由于向溶液中添加HEPES的電導(dǎo)率產(chǎn)生的線斜率大部分是平坦的,實(shí)際上略有負(fù)值,因此電導(dǎo)率測(cè)量對(duì)緩沖溶液中的HEPES幾乎沒有特異性。 • 為了測(cè)量檸檬酸鈉連續(xù)添加到恒定 [NaPO4] 溶液中的測(cè)定,IOR的濃度測(cè)定顯示出遠(yuǎn)超的線性(電導(dǎo)率測(cè)量是非線性的)、精度和范圍。 • 對(duì)于連續(xù)添加聚山梨酯 80 到水中的測(cè)量,IoR 的濃度測(cè)量表現(xiàn)出卓越的線性、精密度和特異性。 • 對(duì)于針對(duì) pH、介導(dǎo)率和滲透濃度的 LOD 和 LOQ 實(shí)驗(yàn),對(duì)于定量限和檢測(cè)限,IoR 的靈敏度是電導(dǎo)率的 2.5 倍,是滲透濃度的 4.2 倍,是 pH 的 28.6 倍。 • 對(duì)于連續(xù)增加的復(fù)雜介質(zhì)濃度,通過IoR進(jìn)行測(cè)量表現(xiàn)出優(yōu)異的線性度和精度,生成的數(shù)據(jù)的R2值更高。 圖7.折射率 (IoR) 和電導(dǎo)率繪制為酵母提取物的函數(shù)(以克為單位)。IoR分析儀表現(xiàn)出優(yōu)于電導(dǎo)率的線性。 討論 這些實(shí)驗(yàn)表明,與pH值、電導(dǎo)率和滲透壓相比,通過折射率測(cè)量工藝流體是制藥制造中實(shí)時(shí)、在線原位質(zhì)量控制的可行和卓越的手段。此外,實(shí)驗(yàn)表明,目前可用的基于IoR的設(shè)備比目前可用的測(cè)量其他流體參數(shù)(如電導(dǎo)率、滲透壓濃度和pH值)的流體測(cè)量設(shè)備表現(xiàn)出更大的線性和精度,以及更低的可檢測(cè)性和定量水平。他們還表明,與電導(dǎo)率和pH值相比,通過折射率測(cè)量顯示出更大的特異性和相關(guān)性,用于測(cè)量含有它們的任何緩沖液或生長(zhǎng)介質(zhì)中陰離子溶質(zhì)的濃度。由于非離子溶質(zhì)不影響電導(dǎo)率或pH值,因此在測(cè)量制備溶液中此類溶質(zhì)的含量時(shí),這些特性的測(cè)量提供的信息很少。此外,含有兩性離子(偶極離子)的溶液(如HEPES)的行為是高度不可預(yù)測(cè)的;因此,使用pH和電導(dǎo)率來測(cè)量?jī)尚噪x子溶液成分的濃度也不是最佳的。這些屬性(非離子溶液和含有兩性離子(偶極離子)成分的溶液具有卓越的精度、線性和特異性,使得折射率測(cè)量適用于制藥生產(chǎn)中必不可少的許多緩沖液和細(xì)胞培養(yǎng)基的質(zhì)量控制。 此外,IoR 也可能是驗(yàn)證發(fā)酵和分離罐的在線原位清洗 (CIP) 解決方案的高度相關(guān)指標(biāo)。與電導(dǎo)率的比較尤其基于對(duì)改進(jìn)實(shí)時(shí)、原位濃度監(jiān)測(cè)和控制的需求。事實(shí)上,在幾乎所有情況下,IoR都是用于濃度測(cè)量的優(yōu)于電導(dǎo)率的方法。 然而,傳統(tǒng)的IoR受到其無法指定化學(xué)混合物的限制。因此,近紅外(NIR)和傅里葉反式紅外光譜(FTIR)等吸收光譜技術(shù)是用于復(fù)雜化學(xué)混合物的強(qiáng)大集中形態(tài)分析工具。 通過 IoR 進(jìn)行測(cè)量還有其他優(yōu)勢(shì)。由于折射率測(cè)量只需要一束從工藝流體表面反射的光,因此它是微創(chuàng)的。因此,它有效地消除了流體采樣造成的任何潛在污染風(fēng)險(xiǎn),或由于施加電壓電位或其他測(cè)量方式而對(duì)敏感介質(zhì)內(nèi)容物的潛在損壞。此外,折射率測(cè)量幾乎是瞬時(shí)的,而其他方法(如采樣)需要更多時(shí)間。測(cè)量折射率也更有可能減少人為誤差。 這并不是說折射率測(cè)量與其他質(zhì)量控制指標(biāo)相比沒有缺點(diǎn)。具體而言,傳統(tǒng)的IoR測(cè)量多組分流體混合物的平均濃度,并且缺乏指定所述混合物中特定組分濃度的能力。IoR 也取決于溫度,最先進(jìn)的 IoR 分析儀具有實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償作為內(nèi)置功能。不能推斷折射率測(cè)量在所有情況下都應(yīng)取代pH、電導(dǎo)率或滲透濃度的測(cè)量。相反,pH值雖然目前是一個(gè)不太準(zhǔn)確的測(cè)量指標(biāo),但它仍然是流體的物理特性,其本身會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生非常直接的影響。溶液的滲透濃度或電導(dǎo)率也可能直接影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量;但是,并非在所有情況下都是如此。事實(shí)上,鑒于許多緩沖液和營(yíng)養(yǎng)培養(yǎng)基的關(guān)鍵成分是陰離子的,因此,對(duì)電導(dǎo)率完全沒有影響,因此很容易爭(zhēng)辯說,在這種情況下,折射率將是一個(gè)與整體產(chǎn)品質(zhì)量更直接相關(guān)的指標(biāo)。 同樣,兩種非常不同的溶質(zhì)的等摩爾量可以產(chǎn)生相同的滲透壓濃度讀數(shù),因此滲透壓濃度測(cè)量無法檢測(cè)到兩種溶質(zhì)之間的差異。這兩種不同的溶質(zhì)不太可能給出相同的滲透壓濃度讀數(shù),也不會(huì)給出相同的IoR讀數(shù)。因此,對(duì)于許多應(yīng)用,工藝流體折射率的測(cè)量很可能可以替代其他指標(biāo),而對(duì)于其他應(yīng)用,它更恰當(dāng)?shù)乜赡苁峭ㄟ^其他物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的補(bǔ)充。在許多情況下,額外的指標(biāo)可能是保障產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量的關(guān)鍵指標(biāo)。 IoR作為過程質(zhì)量控制指標(biāo)的其他應(yīng)用仍有待研究,但可能具有巨大的潛力。折射率的卓越靈敏度可能使其在測(cè)量最終產(chǎn)品的濃度和/或質(zhì)量方面具有潛在價(jià)值。不太可能是折射率檢測(cè)內(nèi)毒素等雜質(zhì)的能力。在制藥領(lǐng)域之外,IoR也可能是一個(gè)有益的指標(biāo)。IoR 的其他應(yīng)用包括相關(guān)行業(yè),如微芯片制造、塑料、食品加工、釀造、釀酒和化妝品。但對(duì)于所有這些應(yīng)用,IoR 將提供相同的功能——與電導(dǎo)率測(cè)量相比,具有更高的精度、精度和線性度。 下載本篇解決方案:
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2023-11-10
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