高分子光化學(xué)_第1頁(yè)
高分子光化學(xué)_第2頁(yè)
高分子光化學(xué)_第3頁(yè)
高分子光化學(xué)_第4頁(yè)
高分子光化學(xué)_第5頁(yè)
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高分子光化學(xué)第1頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月序言

高分子光化學(xué)的邊沿性:基于光化學(xué)(主要是有機(jī)光化學(xué))和高分子化學(xué)。并加微觀光物理過程。發(fā)展簡(jiǎn)況:古埃及木乃伊的制作;60年代以前——旋轉(zhuǎn)光閘法測(cè)kp、kt;高分子光老化等基礎(chǔ)問題的研究。70年代以后—高速發(fā)展期,理論深入、實(shí)驗(yàn)手段更先進(jìn)(超快速激光);形成高技術(shù),在信息材料方面大規(guī)模應(yīng)用(集成電路元件IC、印刷電子線路板、圖文印刷版、三維立體成像、光盤制造等)。第2頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月光化學(xué)方法的優(yōu)勢(shì):

高能量轉(zhuǎn)換、低能耗、低溫性、選擇性、可控性。例:丙酮在己烷中于室溫下吸收280nm的光,其單位時(shí)間內(nèi)獲得能量

E=NA?h?c/

=428kJ/mol;若由298K升溫至500K,熱容Cp?92J/kmol.則

E=92

(500-298)=18.6kJ/mol一般結(jié)論:光化學(xué)反應(yīng)對(duì)能量的利用率高,

第3頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月Chapter1.光化學(xué)基礎(chǔ)一、光的本性1.Whatislight?電磁輻射的一種形式,

(nm)or

(cm-1),c=3

1010cm/s光化學(xué)中的光:一般指UV-Vis100nm~800nmUV:100~400nm(380nm);不同應(yīng)用領(lǐng)域有不同分類法vacuumUV:<150nm;(光子能被N2,O2,CO2等吸收)deepUV:180~280nm;(KFexcimer,193nmforICmanuf.)midUV:280~350nm;

nearUV:350~450nm.(和可見光波段交疊,380-800nm)第4頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月普通生產(chǎn)與生活中UV光的界定Ultravioletlightispartofthelightspectrum,whichisclassifiedintothreewavelengthranges:

UV-C,from100nanometers(nm)to280nm;UV-B,from280nmto315nm;UV-A,from315nmto400nm.第5頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2.UV光的衰減常用UV光波長(zhǎng)>200nm,200nm以下UV光易被空氣吸收,產(chǎn)生臭氧;地球表面300nm以下UV光被大氣層臭氧吸收;紫外光的強(qiáng)度I

和它傳播距離的平方(d2)成反比:I1/d2穿過無色窗玻璃進(jìn)入室內(nèi)的UV光波長(zhǎng)>320nm;第6頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3.光子能量與波長(zhǎng)的關(guān)系第7頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3.光子能量與波長(zhǎng)的關(guān)系(2)

波長(zhǎng)越短,單個(gè)光子能量越高。波段波長(zhǎng)(nm)kJ/molkcal/moleV紫外2005981436.20

40029971.43.10紫45026663.52.76藍(lán)50023957.12.48綠57020949.92.16黃59020348.52.10橙62019245.92.0紅75015938.01.6第8頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月4.什么是光子(photon)?光——波粒二象性。光束可以看成粒子束。光的基本組成粒子為光子(photon)。一個(gè)光子的能量:,(h=6.62

10-34J

s)1mol光子的能量------1Einstein

的單位為米(m);1J=6.24

1018eV

=365nm,則

可以用波長(zhǎng)表示能量,根據(jù)E=h×c/l第9頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月5.L-Blaw

It=Io

10-

c

l

I—單位mW/cm2.(由光子密度和每個(gè)光子的能量決定)It

-透射光的強(qiáng)度;Io

-入射光的強(qiáng)度。被樣品吸收的光強(qiáng)度:Ia=I0

-It=I0(1-10-

c

l)光密度O.D.(opticdensity)相當(dāng)于光強(qiáng);第10頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月二、電子激發(fā)過程1.電子躍遷

吸收光子分子基態(tài)

激發(fā)態(tài)分子外圍電子軌道能級(jí)圖

1)電子躍遷的類型有機(jī)分子最常見的電子躍遷:

*,

*,n*,

n*

躍遷所需能量大小順序:

*>n*

>

*

>n*高能躍遷:

*和

n*躍遷,吸收波長(zhǎng):<200nm(遠(yuǎn)紫外區(qū));低能躍遷:

*和n*躍遷,吸收波長(zhǎng):200~400nm(近紫外區(qū));

n*

*

n*

*

*

*n

第11頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

2)紫外吸收光譜圖吸收峰的位置、吸收強(qiáng)度

nm橫坐標(biāo):波長(zhǎng)(nm)縱坐標(biāo):A,,log,T%最大吸收波長(zhǎng):

max

最大吸收峰值:

max例:丙酮

max=279nm(=15)A?第12頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2.基本術(shù)語(yǔ):

紅移(向紅移動(dòng)):最大吸收峰波長(zhǎng)移向長(zhǎng)波。

藍(lán)移(向藍(lán)移動(dòng)):最大吸收峰波長(zhǎng)移向短波。

生色基:產(chǎn)生紫外(或可見)吸收的不飽和基團(tuán),如:C=C、C=O、NO2等。

助色基:其本身在紫外或可見光區(qū)不顯吸收,但當(dāng)其與生色基相連時(shí),能使后者吸收峰移向長(zhǎng)波或吸收強(qiáng)度增加(或同時(shí)兩者兼有),如:-OH、-NH2、Cl等。第13頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3.各類有機(jī)化合物的電子躍遷1)飽和有機(jī)化合物

*

躍遷:吸收波長(zhǎng)<150nm

在遠(yuǎn)紫外區(qū)。例:CH4

max=125nm

CH3CH3

max=135nmn*躍遷:吸收波長(zhǎng):<200nm(在遠(yuǎn)紫外區(qū))分子中含有雜原子S、N、O、X等飽和化合物。例:CH3OH

max=183nm(150)CH3CH2OCH2CH3

max=188nm某些含孤對(duì)電子的飽和化合物,如:硫醚、二硫化合物、硫醇、胺、溴化物、碘化物在近紫外區(qū)有弱吸收。例:CH3NH2

max=213nm(600)CH3Brmax=204nm(200)CH3Imax=258nm(365)第14頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2)不飽和脂肪族化合物

*

躍遷

非共軛烯、炔化合物

*

躍遷在近紫外區(qū)無吸收。例:CH2=CH2

max=165nmHC≡CHmax=173nm

共軛體系的形成使吸收移向長(zhǎng)波方向

*

1

2

*4

*3

電子能級(jí)

乙烯丁二烯第15頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月共軛體系增加隨共軛體系的增長(zhǎng),吸收向長(zhǎng)波方向位移,吸收強(qiáng)度也隨之增大。CH2=CH-CH=CH2

max=217nm(21000)

CH2=CH-CH=CH-CH=CH2

max=258nm(35000)摩爾消光系數(shù):

max≥104第16頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3)n*躍遷(R帶)

含有雜原子的雙鍵或雜原子上孤對(duì)電子與碳原子上的電子形成p-共軛,則產(chǎn)生n*

躍遷吸收。

*n

脂肪醛的

*和n

*躍遷n

*躍遷,吸收強(qiáng)度很弱:

<100。禁阻躍遷。第17頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月4)芳香族化合物三個(gè)吸收帶。

*

ⅠⅡⅢ185200

255600008000

230E1帶E2帶

B帶E1帶,吸收波長(zhǎng)在遠(yuǎn)紫外區(qū);E2帶,在近紫外區(qū)邊緣,經(jīng)助色基的紅移,進(jìn)入近紫外區(qū)。

B帶,近紫外區(qū)弱吸收,結(jié)構(gòu)精細(xì)——芳環(huán)的特征吸收帶。第18頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第19頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月4.兩種最有用的電子躍遷高分子光化學(xué)中最重要的電子躍遷是n

*躍遷和

*躍遷。原因:所要求的能量最低,與光源的匹配性強(qiáng)。(

,

*)態(tài)

(n,

*)態(tài)n*躍遷:

*躍遷:1)躍遷的電子狀態(tài)第20頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2)影響

*

躍遷與n*

躍遷的因素a)助色基的影響

nm的增值b)空間位阻效應(yīng)的影響

使最大吸收向長(zhǎng)波位移,顏色加深(助色效應(yīng))。第21頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月c)超共軛效應(yīng)影響[討論]按紫外吸收波長(zhǎng)由長(zhǎng)到短排列成序:第22頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3)*躍遷與n*躍遷溶劑效應(yīng)

*躍遷,溶劑極性增加,吸收紅移。

n*

躍遷,溶劑極性增加,吸收藍(lán)移。

*

*

n

*n

*

*躍遷n*

躍遷第23頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月環(huán)己酮電子躍遷的溶劑效應(yīng)第24頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月三、激發(fā)態(tài)的電子構(gòu)型1.激發(fā)態(tài)電子結(jié)構(gòu):

(

1,*1

)或(n1,*1

)兩個(gè)單電子的結(jié)構(gòu)2.電子結(jié)構(gòu)的多重態(tài)-單線態(tài)與三線態(tài)電子自旋運(yùn)動(dòng)方程:Ms=2

Ms+1,ms=

1/2

基態(tài)單線態(tài)激發(fā)單線態(tài)激發(fā)三線態(tài)

O2分子特例,基態(tài)為三線態(tài)。第25頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3.多重態(tài)vs

激發(fā)態(tài)電子構(gòu)型S1態(tài)到底應(yīng)該對(duì)應(yīng)(

1,*1

)或(n1,*1

)?T1態(tài)到底應(yīng)該對(duì)應(yīng)(

1,*1

)或(n1,*1

)?第26頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月四、激發(fā)態(tài)的靜態(tài)性質(zhì)

1)幾何構(gòu)性扭曲、變形,如乙烯、甲醛分子。

第27頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2)偶極矩變化

DS1(

,

*)>DS0(大多數(shù)芳烴);DS1(n,

*)<DS0(大多數(shù)羰基化合物)。

S0T1S1H2C=O2.331.291.56Ph2C=O2.981.721.233)酸堿性質(zhì)不同于基態(tài)(Turro,P134)苯酚:pKa(S0)=10.0,pKa(S1)=4.0,pKa(T1)=8.5第28頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月五、

*躍遷和n

*躍遷的特點(diǎn)與鑒別

n

*

*最大吸收波長(zhǎng)270~350nm>180nm消光系數(shù)<200(較小)>1000(大)溶劑效應(yīng)溶劑極性↑,吸收藍(lán)移溶劑極性↑,吸收紅移取代基效應(yīng)給電子取代基,吸收藍(lán)移給電子取代基,吸收紅移能量差小(<41.67kJ/mol)大(>83.74kJ/mol)吸收光譜形狀寬、矮窄、高作為激發(fā)單線態(tài)時(shí)的壽命>10-6s(長(zhǎng))10-7~10-9s(短)作為激發(fā)三線態(tài)時(shí)的壽命~10-3s(短)0.1~10s(長(zhǎng))第29頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月六、躍遷的允許(allowed)和禁阻(forbidden)躍遷允許-高躍遷幾率;躍遷禁阻-非常低的躍遷幾率。第30頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月七、態(tài)-態(tài)轉(zhuǎn)變1.Jablonskydiagram:第31頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月八、激發(fā)態(tài)的輻射衰減分子從S1態(tài)或T1態(tài)可經(jīng)輻射衰減,回到基態(tài)(S0)。S1S0,發(fā)射熒光(fluorescence);

T1S0,磷光(phosphorescence)反應(yīng)表達(dá)式:S1

S0+hu1

(fl.)T1S0+hu2

(ph.)第32頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

2.熒光、磷光的區(qū)別典型壽命:

S=10-6~10-9s;

T=10-3~10s因分子熱運(yùn)動(dòng)、雜質(zhì)干擾及發(fā)光分子與溶劑的作用,大多數(shù)有機(jī)分子在室溫下看不見磷光。需低溫、惰性溶劑。第33頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3.延遲熒光(delayedfl)

b)T1—T1猝滅機(jī)理:T1+T1

S1+S0;S1

S0+hu(fl)2)特點(diǎn):壽命延長(zhǎng),與磷光壽命相當(dāng)。1)機(jī)理:a)反ISC機(jī)理:第34頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月九、熒光光譜

1.熒光光譜儀

第35頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月工作光路第36頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

2.熒光激發(fā)譜與熒光發(fā)射譜

熒光發(fā)射譜(常稱熒光譜)測(cè)定三步曲:

1)Ex

Em

rangeScanningAcquireemissionspecfindEm

max2)Em

Ex

rangeScanningAcquireexcitationspecfindEx

max3)Ex

Em

rangeScaningAcquireemissionspecfindEm

max,FcurveF~Em

maxcurveF~ExmaxcurveF~Emmax

coarse

important第37頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月Emission-excitationmatrixspectrum(3Dspectrum)第38頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

3.激發(fā)譜與吸收譜的像似性

形狀、輪廓相似

4.發(fā)射譜與吸收譜的對(duì)稱性

a.氣相樣品容易觀察到鏡像對(duì)稱關(guān)系,液相樣品0-0帶不重合,甚至精細(xì)能帶消失、對(duì)稱性降低。b.鏡像關(guān)系說明S1態(tài)的亞能級(jí)間隔與S0態(tài)的亞能級(jí)間隔相同,S1態(tài)的電子分布與S0態(tài)的電子分布相同。第39頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月發(fā)射譜與吸收譜的對(duì)稱性-圖示(1)第40頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月發(fā)射譜與吸收譜的對(duì)稱性-圖示(2)第41頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

5.影響分子熒光性質(zhì)的因素

1)結(jié)構(gòu):

a.大共軛體系,熒光量子效率高,某些稠環(huán)芳烴熒光量子效率低,可能因

isc較大;b.以Cl,Br,I等重原子取代芳環(huán)上的H原子,

f

isc

;c.芳環(huán)引入C=O等生色團(tuán),

f

(苯

f=0.2,二苯甲酮

f=0.00);d.分子柔性

,kic

f

。Toluene

f=0.14,kic~107s-1;n-butylbenzene

f=0.032,kic~108s-1;2)環(huán)境因素

a.濃度效應(yīng):濃度過大,熒光自猝滅嚴(yán)重,一般A<0.2,c:10-5~10-6M時(shí),F(xiàn)~c成線性;

b.溫度:T

,kic

f

。

第42頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月十、

激發(fā)態(tài)的壽命(瞬態(tài)法)

1.壽命的定義

M*

M+huki(i=forp)發(fā)射光強(qiáng)度I

[M*]

發(fā)射光衰減為一級(jí)動(dòng)力學(xué)過程,動(dòng)力學(xué)方程為:積分得:

當(dāng)t=1/ki

時(shí),

定義:當(dāng)切斷激發(fā)光源后,激發(fā)態(tài)分子濃度降為其起始濃度的1/e時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間,稱為激發(fā)態(tài)壽命(

)。

激發(fā)單線態(tài)壽命(熒光壽命);激發(fā)三線態(tài)壽命(磷光壽命)

第43頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2.熒光壽命

S1

S0+h

kf同上可得:

為熒光自然壽命。熒光自然壽命的估算:

熒光實(shí)際壽命

S

第44頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

熒光壽命的動(dòng)力學(xué)表達(dá)-瞬態(tài)法:Ex

停止,S1態(tài)衰減,記錄發(fā)射光強(qiáng)度衰減過程。S1態(tài)衰減動(dòng)力學(xué)方程:

第45頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3.

S的測(cè)定皮秒(ps,10-12sec)脈沖激光測(cè)定熒光壽命(熒光最短壽命~10-9

sec)。

第46頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月脈沖激發(fā)-熒光衰減圖第47頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

logFvst

第48頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月4.磷光壽命

第49頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月十一、量子效率(

)(動(dòng)力學(xué)穩(wěn)態(tài)法)

f,

P,

isc,

r1.熒光量子效率(產(chǎn)率,fluorescencequantumyield)

相對(duì)法可測(cè)

f

,標(biāo)樣(

f

已知):硫酸奎寧、羅丹明B、熒光素等。光化學(xué)與物理過程:

過程

速率S0

S1IaS1

S0+h

kf*[S1]S1

S0kic*[S1]S1

T1T1

S0+h

’kp*[T1]T1

S0第50頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

f

的動(dòng)力學(xué)關(guān)系:

對(duì)S1態(tài)作穩(wěn)態(tài)假設(shè),則S1態(tài)的產(chǎn)生速率

=S1態(tài)的消失速率。

第51頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2.S1態(tài)非輻射過程量子產(chǎn)率

第52頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3.磷光量子效率

p對(duì)T1態(tài)作穩(wěn)態(tài)假設(shè),

第53頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月光反應(yīng)動(dòng)力學(xué)小結(jié):

S1態(tài)

T1態(tài)

第54頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月4.光化學(xué)反應(yīng)量子產(chǎn)率

r

對(duì)光化學(xué)反應(yīng):A

P,產(chǎn)物只從S1態(tài)產(chǎn)生,T1態(tài)不產(chǎn)生。

過程

速率A

ASIaAS

A+hukf*[AS]AS

Akic*[AS]AS

ATAT

A+hu’kp*[AT]AT

AAS

Pkr*[AS]第55頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

求解:產(chǎn)物P的量子產(chǎn)率:

r=(d[P]/dt)/Ia對(duì)AS作穩(wěn)態(tài)處理,

加一步:AT

Pkr’×[AT],r?

第56頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月十二、激發(fā)態(tài)的猝滅(quenchingofexcitedstate)

1.猝滅能加速電子激發(fā)態(tài)衰減到基態(tài)的過程,稱為猝滅。對(duì)熒光和磷光,猝滅作用使

f

,

p

,

S

,

T

。熒光猝滅——激發(fā)單線態(tài)猝滅;磷光猝滅——激發(fā)三線態(tài)猝滅2.猝滅劑可加速激發(fā)態(tài)衰減到基態(tài)的物質(zhì),稱為猝滅劑。1)O2分子,有效猝滅劑,可使

f

20%,

p

~0;脫氧方法:充惰性氣體;凍—融循環(huán)脫氧。2)胺類,可有效猝滅多數(shù)無取代芳烴的激發(fā)態(tài);脂肪胺+Ar*

脂肪胺++Ar-e

電子轉(zhuǎn)移機(jī)理猝滅芳胺+Ar*

chargetransfercomplex(CTC)CTC機(jī)理猝滅3)含Cl,Br,I的化合物;4)其他猝滅劑:CH3NO2,Ar(CN)2,NO,NO2,I-,Cu+等第57頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月3.熒光猝滅劑

1)熒光猝滅機(jī)理

a)動(dòng)態(tài)猝滅機(jī)理(簡(jiǎn)單碰撞機(jī)理),Stern-Volmer方程描述:

F0/F=1+kq*

0*[Q]=1+KD*[Q]

將F0/F~[Q]作圖,由斜率KD

可得kq

。

b)靜態(tài)猝滅(復(fù)合機(jī)理)[M-Q]為非熒光體無Q時(shí),設(shè)S1態(tài)分子濃度為[MS]0,有Q時(shí),為[MS];則[MS]0=[MS]+[M-Q]KS=([MS]0

[MS])/[MS]*[Q]=[MS]0/[MS]*[Q]1/[Q][MS]0/[MS]=1+KS*[Q]因F[MS],有F0/F=1+KS*[Q]

靜態(tài)猝滅動(dòng)力學(xué)方程第58頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月溫度對(duì)兩種猝滅機(jī)理的影響相反:

T

,對(duì)動(dòng)態(tài)機(jī)理,

,kq

,KD

,猝滅加強(qiáng);

T

,對(duì)靜態(tài)機(jī)理,KS

,

猝滅減弱。

在混合機(jī)理體系中,F(xiàn)0/F與[Q]作圖不成直線,方程改寫為:(F0/F

1)/[Q]=KD*KS*[Q]+(KD+KS)將(F0/F

1)/[Q]vs

[Q]作圖。

第59頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月十三、能量轉(zhuǎn)移

給出能量的一方為D(donor),接受能量的一方為A(acceptor)

D*+A

D+A*1.能量傳遞機(jī)理

1)輻射—吸收機(jī)理:

自吸收:2)無輻射機(jī)理庫(kù)侖作用(長(zhǎng)程轉(zhuǎn)移,電場(chǎng),磁場(chǎng))電子交換(短程轉(zhuǎn)移,碰撞)

第60頁(yè),課件共69頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

2.能量轉(zhuǎn)移類型

1)單線態(tài)-三線態(tài)轉(zhuǎn)移(S1-T1)或三線態(tài)-單線態(tài)轉(zhuǎn)移(T1-S1)D(S1)+A(S0)

D(S0)+A(T1);D(T1)+A(S0)D(

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