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Chemistry

O-Carboxyanhydrides Ni/Zn 단지 중재의 Photoredox 반지 개통 중 합 제어

doi: 10.3791/56654 Published: November 21, 2017

Summary

O-carboxyanhydrides Ni/Zn 단지 중재의 제어 photoredox 반지 개통 중 합에 대 한 프로토콜 제공 됩니다.

Abstract

여기, 우리가 예상된 분자 무게와 효율적인 반지 개통 중 합, 아이 소 택 틱 폴 리 (α-hydroxy 산)의 합성에 대 한 허용에 대 한 Zn alkoxide를 사용 하 여 photoredox Ni/Ir 촉매를 결합 하는 효과적인 프로토콜을 설명 (> 140 kDa) 좁은 분자량 분포 (Mw/Mn < 1.1). 이 반지 개통 중 합은 Ni와 Zn 단지 알코올 초기자와 파란색 LED (400-500 nm)에 의해 조사 photoredox Ir 촉매의 존재에 의해 중재 됩니다. 중 합을 피하기 위해 바람직하지 않은 측면 반응 낮은 온도 (-15 ° C)에서 수행 됩니다. 좁은 분자량 분포와 가까운 예상된 분자량 폴리머를 제공 4-8 시간 전체 단위체 소비를 얻을 수 있습니다. 결과 수 평균 분자량 1000까지 합의 학위를 가진 선형 상관 관계를 보여 줍니다. Homodecoupling 1H NMR 연구 획득된 폴리머 epimerization 없이 아이 소 택 틱 확인 합니다. 이 중 합 본 보고 준비 stereoregular 폴 리 (α-hydroxy 산)와 다양 한 기능적 측면 체인 그룹 베어링의 공중 합체를 신속 하 고 제어 O-carboxyanhydrides 중 합을 달성 하기 위한 전략을 제공 합니다.

Introduction

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폴 리 (α-hydroxy 산) (PAHA)는 생 분해성 및 생체 고분자 생물 의학 장치에서 포장 재료에 이르기까지 응용 프로그램의 중요 한 클래스. 1 , 2 비록 PAHAs는 직접 α-hydroxy 산의 축 중 합에 의해 준비 될 수 있다, 결과 PAHAs의 분자 무게 (MWs)는 일반적으로 낮은. 3 반지 개통 중 합 (ROP) lactones (예: lactide 및 glycolide)의 축 중 합 보다 MWs와 분자량 분포 (Đ)에 더 나은 제어를 제공 하는 다른 합성 접근 이다. 그러나, 사이드 체인 기능 PAHAs와 lactones의 부족 육체 및 화학 재산 및 그들의 응용의 다양성을 제한 합니다. 4 , 5 2006 년부터, 1, 3-dioxolane-2, 4-디, 소위 O-carboxyanhydrides (졸업), 다양 한 사이드 체인 기능,6,,78, 준비 될 수 있는 9 , 10 , 11 , 12 , 13 폴 리 에스테 르 중 합에 대 한 높은 활성 단위체의 대체 클래스 등장 했습니다. 14 , 15

졸업의 ROP에 대 한 촉매 시스템 organocatalysts,8,12,,1617 유기 금속 촉매12,18,19 로 분류 될 수 있다 20,21 그리고 biocatalysts. 22 epimerization (즉, stereoregularity의 부족) 졸업 전자 철회 그룹,8,17 베어링 등 다소 통제 방식으로 일반적으로, 졸업의 ROP organocatalyst에 의해 추진 진행 예측할 수 없는 MWs, 또는 느린 중 합 속도 론입니다. 13 이러한 문제를 해결 하려면 활성 Zn alkoxide 복잡 한 졸업 ROP에 대 한 개발 되었다. 12 well-controlled Rop epimerization 없이 합 (DP)의 낮은 정도에 달성 했다. 그러나,이 Zn alkoxide 촉매는 고분자 중 합 (DP ≥ 300)의 높은 수준의 생산 효율적으로 수 없습니다. 13

우리 최근 사용자와 PAHA 합성 (그림 1)의 효율은 크게 향상 유망한 접근을 보고 있다. 13 우리는 OCA decarboxylation 아연 alkoxide 반지 개통 중 합 졸업의 중재와 홍보 photoredox Ni/Ir 촉매를 병합 합니다. 낮은 온도 (-15 ° C) 및 photoredox Ni/Ir 촉매의 사용은 반지-체인 전파, 바람직하지 않은 측면 반응을 피하고 있는 동안 예를 들어, Ni 카보닐기의 형성에 대 한 OCA의 decarboxylation와 synergistically 가속 한다. 23 , 24 transmetalation Ni 복잡 한와 따라 활성 Zn alkoxide는 체인 전파에 대 한 체인에 있습니다. 13

이 프로토콜에 신선한 준비 추가 (bpy)Ni(COD) (bpy = 2, 2'-bipyridyl, 대구 = 1, 5-cyclooctadiene), Zn(HMDS)2 (HMDS = hexamethyldisilazane),25 벤 질 알코올 (BnOH)와 Ir [dF (CF3) ppy]2(dtbbpy) PF6 ( Ir-1, dF (CF3) ppy = 2-(2, 4-difluorophenyl)-5-(trifluoromethyl) pyridine, dtbbpy = 4, 4'-디-tert-부 틸-2, 2'-bipyridine)에 모노 머 l-1 솔루션26 의 존재에서 콜드 트랩으로 글러브 박스에는 블루 LED 빛 (400-500 nm)과 온도 (그림 1)를 유지 하기 위해 팬. 온도-15 ° C ± 5 ° C에는 중 합 동안 유지 됩니다. OCA의 변환 푸리에 변환 적외선 분광학에 의해 모니터링 됩니다. 결과 폴리머 MWs Đ의젤 투과 크로마토그래피 (GPC)에 의해 특징입니다. Homodecoupling 1H NMR 연구 획득된 폴리머 아이 소 택 틱 인지 여부를 결정 합니다. 대부분의 화학 물질은 습기에 매우 민감한, 자세한 비디오 프로토콜 새로운 실무자 photoredox ROP의 졸업과 관련 된 함정을 피할 수 있도록 위한 것입니다.

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Protocol

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주의: 모든 관련 재료 안전 데이터 시트 (MSDS) 사용 하기 전에 참조 하십시오. 많은 화학 물질 합성에 사용 되는 심하게 독성 발암 성입니다. 반응 공학 컨트롤 (증기 두건 및 글러브) 및 개인 보호 장비 (안전 안경, 장갑, 실험실 외 투, 전장 바지, 폐쇄 발가락 신발, 블루 빛의 사용을 포함 하 여 수행할 때 모든 적절 한 안전 관행을 사용 하시기 바랍니다 안전 차단 고글). 다음 절차는 장갑 상자에 표준 공기 무료 처리 기술을 포함. 모든 솔루션 피 펫을 사용 하 여 전송 됩니다.

1입니다. 촉매 및 초기자의 준비

참고: 전체 프로세스는 콜드 트랩으로 글러브 박스에서 실시. 모든 화학 물질 건조 또는 상자에 이동 하기 전에 정화. 13 모든 병 및 유리는 건조 하 고 상자에 이동 하기 전에 오븐에서가 열.

  1. (Bpy)Ni(COD) 솔루션의 준비
    참고: (bpy)Ni(COD) 갓 대비해 야 제자리에. 그것은 장갑 상자 냉동 실 (-35 ° C)에 저장 한다 고 1 주일 이내 사용. 모든 다른 촉매 및 초기자 솔루션 수 있습니다 저장할 수 글러브 박스 냉장고에 1 개월 이상.
    1. 7 mL 섬광 유리병에 Ni(COD)2 (3.5 mg, 12.7 µmol, 1.0 eq)를 무게.
    2. 2, 2 '-bipyridine (5.9 mg, 37.8 µmol) 섬광 7 mL 유리병에 무게.
    3. 2, 2-bipyridine 무수 tetrahydrofuran (THF)의 1 mL에 용 해.
    4. 결과 2, 2 ' bipyridine 솔루션 (337 µ L) Ni(COD)2를 들어 있는 유리병에 추가 합니다.
    5. 무수 THF의 1 mL에 섞어 희석.
    6. 유리병 뚜껑을 2 시간에 대 한 실 온에서 반응 혼합물을 두십시오.
      참고: Ni(COD)2 , THF에 용 해 되지 않습니다 반면 (bpy)Ni(COD)는 THF에 용 해. 2 시간 후에 보라색 솔루션에 강 수 있어야 합니다.
    7. 저장소 (bpy)Ni(COD)-35 ° C 냉동 고에.
  2. Zn(HMDS)2 솔루션의 준비
    1. 7 mL 섬광 유리병에 Zn(HMDS)2 (3.3 mg, 4 µ L, 8.5 µmol)를 추가 합니다.
    2. Zn(HMDS)2 무수 THF의 1 mL에 용 해.
    3. -35 ° C 냉동 고에서 Zn(HMDS)2 솔루션을 저장 합니다.
  3. BnOH 솔루션의 준비
    1. 7 mL 섬광 유리병에 BnOH (4.0 mg, 4 µ L, 37.0 µmol)를 추가 합니다.
    2. BnOH 무수 THF의 4 mL에 용 해.
    3. -35 ° C 냉동 고에서 BnOH 솔루션을 저장 합니다.
  4. Ir-1 솔루션의 준비
    1. 글로브 박스 빛을 해제 합니다.
      주의: 그것은 중 합 전에 Ir-1 의 비활성화를 방지 하려면 글로브 박스 빛 해제 해야 합니다.
    2. 7 mL 섬광 유리병에 Ir-1 (2.9 mg, 2.6 µmol)를 추가 합니다.
    3. Ir-1 무수 THF의 3 mL에 용 해.
    4. -35 ° C 냉장고에서 Ir-1 솔루션을 저장 합니다.

2. l-1의 Photoredox 반지 개통 중 합

참고: 전체 프로세스는 콜드 트랩으로 글러브 박스에서 실시. 모든 OCA 단위체는 박막 사용 하기 전에 장갑 상자에. 13 여기 우리에 게는 중 합 예 DP에서 = 500 ([l -1] /[(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)2] / [BnOH] / [Ir-1] = 500/1/1/1/0.1). 다른 DPs에 중합체는 단위체를 대량 적절 하 게 조정 하 여 준비 또한 수 있습니다.

  1. 중 합을 위한 l-1 솔루션의 준비
    1. 7 mL 섬광 유리병에 l-1 (72.2 mg, 375.7 µmol)를 추가 합니다.
    2. 무수 THF의 722 µ L에서 l-1 를 분해.
    3. 다른 7 mL 섬광 유리병 볶음 바 장착으로 l-1 솔루션의 200 µ L를 추가 합니다.
    4. 7 mL 섬광 유리병에 무수 THF의 100 µ L를 추가 합니다.
    5. 유리병 뚜껑과 콜드 트랩에 l-1 솔루션을 놓습니다.
    6. 글로브 박스 빛을 해제 합니다.
      주의: 그것은 중 합 전에 Ir-1 의 비활성화를 방지 하려면 글로브 박스 빛 해제 해야 합니다.
  2. 콜드 트랩 냉각
    1. 박스 안에 콜드 트랩에 온도계를 넣어.
    2. 상자, ca. 에탄올 500ml에 추가 dewar 플라스 크.
    3. Dewar 플라스 크에 액체 질소를 추가 합니다.
    4. 콜드 트랩에 KGW dewar 플라스 크를 로드 합니다.
    5. 쿨-50 ° c.에 콜드 트랩
    6. 놔 파문 접시 아래 추위 트랩 ( 그림 1참조).
  3. Photoredox 반지 개통 중 합을 수행
    참고: 시작 하기 전에 중 합, 장소 안전 고글 블록 블루 빛 도달 시간. 모든 촉매 시스템 솔루션은 즉시 냉동 실에서 촬영 하 고 있는 일시 중지 또는 중단 없이 동작 하는 l-1 의 20 밀리 그램 이상 30 7 mL 섬광 유리병으로 연속적으로 추가 s.
    1. 추가 (bpy)Ni(COD) 솔루션 (16.4 µ L, 0.208 µmol) l-1 (2.1에서 준비)를 포함 하는 7 mL 섬광 유리병에.
    2. 유리병에 Zn(HMDS)2 솔루션 (24.4 µ L, 0.208 µmol)를 추가 합니다.
    3. 유리병에 BnOH 솔루션 (22.5 µ L, 0.208 µmol)를 추가 합니다.
    4. 유리병에 Ir-1 솔루션 (24.2 µ L, 0.0208 µmol)를 추가 하 고 유리병 뚜껑.
    5. 블루 LED 빛을 차단 하는 안전 고글을 착용.
      주의: 파란색 LED로 상대 강도 높은 조명 사용, 전체 과정에서 안전 고글을 착용.
    6. 라이트 블루 LED 빛 (34 승)에 LED에 의해 생성 된 열을 방산 하 팬 설정. 콜드 트랩에 유리병으로 빛을 직접. (그림 1)
    7. 교 반기를 켭니다.
    8. 커버 알루미늄 호 일로 콜드 트랩.
    9. -15 ± 5 ° C에서 반응 온도 유지 하 고 추가 액체 질소 15 ~ 20 분 간격.
      참고: 반응 온도 유지 중 합 및 MW 제어에 대 한 중요 하다.

3. 모니터 퓨 리에 변환 적외선 스펙트럼에 의해 단위체 변환

참고: 퓨 리에 변환 적외선 스펙트럼 (FTIR) 다이아몬드 ATR 및 전송 샘플링 액세서리를 갖춘 FT-적외선 분석기에 기록 됩니다.

  1. 특정 시간 점에서 7 mL 섬광 유리병에 폴리머 솔루션 (20 µ L)의 작은 약 수를 추가 하 고 출장.
  2. 글러브 박스에서 유리병을 제거 합니다.
  3. 즉시 솔루션 (3 µ L) ATR FTIR 다이아몬드 샘플러에 드롭. 10 필름을 형성 하는 솔루션 스펙트럼 측정에 대 한 s.
  4. 샘플의 FTIR 스펙트럼을 측정 합니다.
    참고: 단위체 변환 1760 c m-1 와 1805s c m-1간 강도 비율에 의해 결정 되었다: 변환 % = 내가1760/ (나1760 +1805) (대표 결과 그림2에서). 일반적으로 중 합 걸립니다 약 1-8 h 200에서 1000 까지의 DP (자세한 활동 참조 13에서 설명).

4. 젤 투과 크로마토그래피에 의해 고분자의 분자량의 측정

참고: 겔 침투 크로마토그래피 (GPC) 실험 degasser, multiangle 레이저 산란 (MALS) 검출기와 isocratic 펌프를 갖춘 시스템에서 수행 됩니다 (GaAs 30 mW 레이저 λ = 690 nm), 및 차동 굴절률 (DRI) 검출기 와 함께 690 nm 빛 소스. 분판을 직렬 연결된 크기 제외 열을 사용 하 여 수행 됩니다 (100 Å, 500 Å, 103 Å, 그리고 10 Å4 열, 5 µ m, 300 × 4.6 m m) THF를 사용 하 여 a 0.35 mL/min의 유량에서 모바일 위상으로 35 ° C에서. 고분자 분자량 (MW) 및 분자량 분포 (Ð) MALS DRI 데이터의 맞는 Zimm 모델을 사용 하 여 결정 됩니다. 금속 고분자에 복잡 한의 존재는 GPC 측정 결과 영향을 미치지 않습니다.

  1. 글러브 박스에서 폴리머 솔루션 (50 µ L)의 작은 약 수를 제거 합니다.
  2. 유리병에 THF의 100 µ L를 추가 합니다.
  3. GPC 샘플러에 샘플을 삽입할.
  4. GPC 실행 완료 되 면 결과 분석 합니다.
    참고: 폴리머 좁은 Đ 와 monodispersed 이어야 한다 (대표 결과 그림3에서). 폴리머 (20mg) 건조 하 고 1 mL diethyl 에테르 Ni의 87% 및 Zn 단지, 유도 결합된 플라즈마 질량 분석 (ICP-MS)에 의해 결정의 50%를 제거할 수 있습니다 1% 메탄올 HOAc 및 1 mL를 포함 하 여 씻어 수 있습니다.

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Representative Results

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그림 2와 같이 OCA의 변환 푸리에 변환 적외선 분광학에 의해 모니터링 됩니다. 1805 c m-1 에서 피크 무수 물 본드 스트레치 OCA;에 할당 하는 1760 c m-1 에서 피크는 폴리머에 에스테 르 결합의 형성에 해당합니다. 단위체의 피크 1805 c m-1 에서 완전히 사라지면, 일단은 중 합 완료 됩니다.

MW 및 Đ 결과 폴리머의 젤 투과 크로마토그래피 특징 이다. 그림 3 200에서 1000 까지의 DP와 졸업의 제어 photoredox 반지 개통 중 합을 보여준다. 증가 하는 모노 머 비율 ([l-1] /[Zn(HMDS)2] 비율) 리드 증가 하 고 예상 Mn 결과 폴리머의 피드. 게다가, Mn 는 고분자의 선형 초기 [l-1] 증가 / [Ni] / [Zn] / [Ir-1] 1000/1/1/0.1, 최대 및 모든 Đ 값은 < 1.1.

NMR 연구 측정 얻은 고분자의 입체 화학. Dimethylaminopyridine 등 organocatalyst에 의해 중재 졸업 ROP 졸업 전자 철회 그룹 베어링에 대 한 α-methine에 epimerization을 유도할 수 있다. 8 , 17 homodecoupling 1H NMR이 고분자는 중 합에서 stereoregularity의 손실을 나타내는 α methine 지역에서 여러 봉우리 전시. 우리의 방법을 사용 하 여, homodecoupling 1H NMR 연구 획득된 폴리머 epimerization (그림 4) 없이 아이 소 택 틱을 나타내는 α methine 지역 (5.0 5.3 ppm)에서 단일 피크를 보여준다.

Figure 1
그림 1. Ni/Zn-중재 photoredox l-1의 ROP의 체계. Photoredox 중 합 온도 유지 하기 위해 냉각 팬을 가진 LED 빛에 의해 반구 콜드 트랩으로 글러브 박스에서 실시 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 2
그림 2. (A) l-1 과 photoredox 중 합 중 (b)는 반응 혼합물의 FTIR 스펙트럼. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 3
그림 3. (a) Mn 및 분자량 분포의 음모 (Mw/Mn) 폴 리 (l-1) [l-1] /[Zn(HMDS)2대의] 비율 ([(bpy)Ni(COD)]/[Zn(HMDS)2] / [BnOH] / [ Ir-1] 1/1/1/0.1 =). (패널 (a)의 photoredox 중 합 반응의 b) 대표적인 겔 침투 크로마토그래피 (GPC) 자취. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Figure 4
그림 4. 폴 리 (l-1)의 NMR 스펙트럼. (a) 1H NMR 스펙트럼; (b) 1H homodecoupling NMR 스펙트럼. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

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Discussion

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프로토콜 내에서 중요 한 단계-15 ±에서 반응 온도 유지 하는 5 ° c. 모든 촉매 솔루션 및 OCA 단위체는 중 합 하기 전에-35 ° C에서 글러브 박스 냉장고에 저장할 수 있다. 반응 튜브 미리 콜드 트랩에 냉각 해야 합니다. 반응, 동안 LED 빛, 열 방출 되므로 반응 15-20 분 마다 모니터링 하는 데 필요한. 일단 온도 발생을-10 ° C에 액체 질소 추가 해야 함정을 dewar에. 낮은 온도 대 한 이유는 실내 온도 제어 photoredox 중 합에 해로운 이며 MW와 Đ에 영향을 미치는 복잡 한 Ni(CO)의 형성 이다. 13

O-carboxyanhydrides organocatalysts에 의해 늘어진 기능 그룹에서 합성 시도 stereoregular 높은 MW 중합체의 준비를 저해 epimerization를 포함 하 여 통제 중 합에 의해 괴 롭 혀 왔다. Photoredox 제어 ROP 중 합이 성공적으로 준비할 수 stereoregular 높은 MW 중합체 DP와 참조 13에서 설명 하는 다양 한 OCA 단위체에 대 한 1000에 도달. 순차적 추가 의해 다른 OCA 단위체의 혼성 우리의 방법을 사용 하 여 요구 이기도 합니다. 그러나, L-mandelic OCA 단위체에 대 한 MW 컨트롤 하지 높은 DPs에서 달성 되었습니다 했다. 우리는 현재이 방법론을 조사 하 고는 중 합에 대 한 새로운 촉매 전략을 개발 하기 위해 노력.

결론적으로, 우리의 Ni/Zn-중재 photoredox 중 합 프로토콜 stereoregular 폴 리 (α-hydroxy 산) 및 그들의 공중 합체를 다양 한 기능적 측면 체인 그룹 베어링 준비를 신속 하 고 제어 OCA 합을 달성 하기 위한 전략을 제공 합니다. 우리는 우리의 새로운 전략 강성, 탄성, biodegradability 등 바람직한 거시적인 특성을 가진 새로운 폴리에스터의 세대에 대 한 수 있습니다 기대 합니다. 이 방법은 또한 유용할 수 있습니다 라이트 치료 nanoimprinting 리소 그래피 등 새로운 제작 기법에 대 한.

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Disclosures

저자 아무 경쟁 금융 관심사를 선언합니다. 임시 특허 (미국 특허 응용 프로그램 번호: 62/414,016)이이 문서에 소개 된 결과 관련 된 제기 되었습니다.

Acknowledgments

이 작품은 버지니아 폴 리 테크닉 연구소 및 주립 대학에서 시작 자금에 의해 지원 되었다. Q.F. 인정 국가 자연 과학 재단의 (21504047), 자연 과학 재단의 장쑤 성 (BK20150834), 게시물의 난징 대학 중국과 통신 과학 재단 NUPTSF (NY214179)에서 지원 합니다.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Ni(COD)2 Strem 28-0010 Stored in the glove box freezer.
2,2′-bipyridine Strem 07-0290 Stored in the glove box freezer.
Zn(HMDS)2 N/A N/A Synthesized following reported procedures.25 Stored in the glove box freezer.
Benzyl alcohol Sigma-Aldrich 402834 Stored with 4Å molecular sieve
Ir[dF(CF3)ppy]2(dtbbpy)PF6 Strem 77-0425 Stored in the glove box freezer.
THF Sigma-Aldrich 34865 Dried by alumina columns and stored with 4Å molecular sieve in the dark bottle in the glove box.
Ethanol Sigma-Aldrich 793175
GPC with an isocratic pump Agilent Agilent 1260 series
Dawn Heleos II Light Scatterer Wyatt
Optilab rEX differential refractive index detector Wyatt
Size exclusion columns Phenomenex
Glass Scintillation Vials - 7 ml VWR
FTIR spectrometer Agilent
Stir bars VWR 58948-091
Balance
Glove box Mbraun Labstar Pro

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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<em>O</em>-Carboxyanhydrides Ni/Zn 단지 중재의 Photoredox 반지 개통 중 합 제어
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Feng, Q., Tong, R. Controlled Photoredox Ring-Opening Polymerization of O-Carboxyanhydrides Mediated by Ni/Zn Complexes. J. Vis. Exp. (129), e56654, doi:10.3791/56654 (2017).More

Feng, Q., Tong, R. Controlled Photoredox Ring-Opening Polymerization of O-Carboxyanhydrides Mediated by Ni/Zn Complexes. J. Vis. Exp. (129), e56654, doi:10.3791/56654 (2017).

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