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      基于粗粒化模型對有機溶劑的分子動力學(xué)模擬

      2011-11-30 10:50:42許佩軍唐媛媛張知博
      物理化學(xué)學(xué)報 2011年8期
      關(guān)鍵詞:范德華多極?;?/a>

      許佩軍 唐媛媛,2 張 靜 張知博 王 昆

      邵 穎3 沈虎峻2,* 毛英臣1,*

      (1遼寧師范大學(xué)物理與電子技術(shù)學(xué)院,遼寧大連116029;2中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所,遼寧大連116023; 3大連海事大學(xué)物理系,遼寧大連116026)

      基于粗?;P蛯τ袡C溶劑的分子動力學(xué)模擬

      許佩軍1唐媛媛1,2張 靜1張知博1王 昆1

      邵 穎3沈虎峻2,*毛英臣1,*

      (1遼寧師范大學(xué)物理與電子技術(shù)學(xué)院,遼寧大連116029;2中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所,遼寧大連116023;3大連海事大學(xué)物理系,遼寧大連116026)

      在基于Boltzmann分布對四種基本構(gòu)象進行Monte Carlo取樣后,通過與全原子模型的范德華勢比較得到了Gay-Berne(GB)參數(shù).又在對用量化計算得到的分子體系的電勢進行電荷、偶極矩和四極矩的擬合后,得到了電多極展開勢(EMP)參數(shù).利用得到的粗?;瘏?shù),基于粗?;P?對CHCl3及四氫呋喃(THF)兩種有機溶劑進行了分子動力學(xué)模擬(MDS),并將結(jié)果同全原子模擬進行了比較.計算結(jié)果表明用粗?;P蛷恼w上能重復(fù)全原子模型的模擬結(jié)果,但在某些細(xì)節(jié)的計算與全原子模型有偏差,其原因可能是目前工作僅考慮了單位點情況,為此今后在對具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的分子進行粗?;M時還應(yīng)考慮合理放置及增加相互作用位點.

      粗?;P?Gay-Berne勢;電多極展開勢;徑向分布函數(shù);分子動力學(xué)模擬

      1 引言

      分子動力學(xué)模擬(MDS)已經(jīng)成為了研究復(fù)雜分子體系的重要工具,盡管一些計算方法和技術(shù)手段已經(jīng)取得了突破,1-3但當(dāng)前基于全原子模型對某些較大體系的動力學(xué)模擬時間尺度仍然非常短,并不能滿足與實驗比較的迫切需要.4-6已知在利用經(jīng)驗力場進行的全原子分子動力學(xué)模擬主要包括兩部分:一是對分子的構(gòu)象進行統(tǒng)計分析;二是結(jié)合相應(yīng)的構(gòu)象分析體系的能量及受力情況.7-9而對某一分子體系,由于非鍵結(jié)的范德華相互作用項和靜電相互作用項的數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鍵長、鍵角和二面角相互作用項的數(shù)目,因此對范德華相互作用和靜電相互作用的計算將要耗費大量的計算時間.為了簡化對這兩種相互作用的計算,研究人員已提出了多種粗?;P?CG模型).10-14CG模型的主要特點在于它將研究體系中的分子或分子的某一部分近似看成一個原子團簇,該原子團簇內(nèi)部信息(鍵長、鍵角、二面角等)被屏蔽,即該團簇被處理為沒有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“粒子”,該粒子對應(yīng)于全原子模型中的單個原子.而在利用CG模型進行分子動力學(xué)模擬之前還必須獲得描述這些粒子間范德華相互作用和靜電相互作用的力場參數(shù),應(yīng)當(dāng)指出這一部分工作也是構(gòu)建CG模型的關(guān)鍵部分.CG模型結(jié)合了日益發(fā)展的計算機水平,使得對更大更復(fù)雜體系的長時模擬成為可能.

      該方法的主要缺陷就在于它的計算精度要低于基于全原子模型的分子動力學(xué)模擬.10此外還需指出的是大多數(shù)的CG模型僅對某些特殊體系適用,而不能應(yīng)用于其他體系,即模型的可移植性有待提高.產(chǎn)生這一問題的主要原因在于多數(shù)CG模型將粗?;W涌闯墒乔蛐?這樣導(dǎo)致了這些模型沒能更好地描述分子間的范德華相互作用,以及未能對由此而導(dǎo)致的電勢空間分布改變的靜電相互作用作出更好的描述.為了克服這些缺陷,改進CG模型,Golubkov和Ren14提出了在計算粗?;W娱g相互作用時,必須考慮由粗粒化粒子的形狀而引起的Gay-Berne(GB)效應(yīng)及電多極矩效應(yīng),這些改進在他們對水、苯及甲醇三種構(gòu)象相對簡單的分子體系的動力學(xué)模擬中得到了較理想體現(xiàn).此外也應(yīng)認(rèn)識到的是他們工作的基石就在于較好地擬合得到了描述上述三種分子的粗粒化力場參數(shù).為了檢驗如何利用CG模型對復(fù)雜分子體系進行高效計算,本文采用類似方法對CHCl3及四氫呋喃(THF)分子的兩種構(gòu)象在相對復(fù)雜的有機溶劑中進行了分子動力學(xué)模擬.

      2 計算與模擬方法

      2.1 描述非球形分子的Gay-Berne勢和電多極展開勢(EMP)

      任何一個好的模型必須具備兩個主要特征,一方面數(shù)學(xué)上要簡單并易于處理,另一方面能夠?qū)δM體系做較好的物理描述.基于這兩方面的考慮, Berne和Pechukas15近似地將分子視為繞其主軸旋轉(zhuǎn)的橢球體,得到了由高斯函數(shù)描述的經(jīng)驗勢.在對非球形分子的分子模擬中,短距離吸引和排斥相互作用可通過如下方法來完成,即在分子內(nèi)定義多個位點,每兩個位點間的范德華相互作用勢由Lennard-Jones勢描述.需指出的是對于較大分子,計算勢的時間會隨位點數(shù)目的平方而遞增,從而使得計算效率大為降低.為了解決這一問題,Gay和Berne16對描述非球形分子間的短距離排斥和相互吸引作用的高斯重疊勢進行了修正,把分子處理成軟的、單軸的橢球體,把GB位點放置在橢球體的質(zhì)心上,用單位點勢替代多位點勢,這樣就得到了GB勢.在慣性系中,橢球體在位形空間中由其質(zhì)心坐標(biāo)和三個歐拉角描述,對應(yīng)于由一套GB參數(shù)來描述.目前,GB勢在描述液晶體系中得到了廣泛應(yīng)用.17-20為了更好地控制GB勢的軟硬度,Brene和Pechukas建議增加參數(shù)來控制經(jīng)驗勢的柔性,由此Kabadi等21,22引入了dw參數(shù).

      兩個粗?;W娱g的GB勢可表示為

      其中

      其中l(wèi)和d分別描述分子的長和寬,這樣分子的形狀就可以用任意的棒狀、盤狀或者球狀來表示.

      (1)式中的阱深參數(shù)取如下形式

      其中μ和ν均為可調(diào)指數(shù),借鑒Golubkov和Ren14的工作,本文分別將其取值為2.0和1.0.而ε1和ε2可分別表示為

      (9)式中的χ?和α?分別取如下形式

      其中,ε0描述了交叉結(jié)構(gòu)的阱深,εE和εS分別表示尾對尾和邊對邊結(jié)構(gòu)的阱深.當(dāng)兩個分子相同或者其中一個分子是球形分子時,勢函數(shù)用Berne和Pechukas的原始形式表示.如果兩個分子都是球形的,勢函數(shù)將進一步簡化為Lennard-Jones勢.

      長距離靜電相互作用可以由電多極展開勢來表示.在大于分子尺寸的距離處,分子的電勢可準(zhǔn)確地通過對其質(zhì)心的電多極展開勢來表示23

      其中q、μ、Θ分別表示電荷、偶極矩和四極矩.電多極勢可表示為電荷-電荷相互作用勢、電荷-偶極相互作用勢、電荷-四極相互作用勢等項之和.本文在分子的質(zhì)心上放置了一個電多極展開位點,同時選取了和GB位點相同的慣性系.

      兩個多極位點間的相互作用可通過電多極展開勢表示為

      其矩陣形式可參見文獻.14,24本文對靜電相互作用截斷值的處理方法,采用了TINKER軟件的標(biāo)準(zhǔn)方法.25-27

      此外還需指出的是,考慮到由于粗粒化粒子具有各向異性的形狀而使得在進入排斥的范德華相互作用區(qū)域前電多極展開方法將給出不正確的相互作用勢,類似于文獻,14,28本文同樣加入了一個阻尼函數(shù)以確保對短距離多極相互作用勢的精確描述.

      2.2 粗?;P土鰠?shù)的確定

      2.2.1 Gay-Berne(GB)參數(shù)的擬合

      本文利用粗?;P瓦M行分子模擬的前提是要獲得GB-EMP模型的參數(shù),為此我們首先對研究體系進行了合理取樣選取,然后利用描述有機分子的AMBER力場(GAFF),29,30通過與全原子的范德華勢進行比較后擬合得到了GB參數(shù).選取GAFF力場是由于它的函數(shù)形式簡單,原子類型有限,還可利用實驗和理論模型計算獲得力常數(shù)和部分原子電荷.在研究中,我們發(fā)現(xiàn)構(gòu)象的選取會直接影響GB參數(shù)的擬合,進而決定GB勢是否能準(zhǔn)確地模擬全原子的范德華勢,因此選擇可以反映真實分子液體環(huán)境的構(gòu)象是十分重要的.由于在實際的溶液環(huán)境中,面對面(或者尾對尾)、邊對邊、T形和交叉結(jié)構(gòu)這四種構(gòu)象出現(xiàn)的幾率相對較大,17,19另外考慮到在真實的液體環(huán)境中分子的構(gòu)象趨于取能量最低的構(gòu)象,所以本文在篩選用于擬合GB參數(shù)的構(gòu)象時,對上述四種構(gòu)象分別基于Boltzmann分布采用Monte Carlo方法獲得到分子的構(gòu)象集.這樣才可確保在一定的能量范圍內(nèi),構(gòu)象數(shù)目隨能量的升高而減少.表1給出了CHCl3和THF這兩種分子的四種基本構(gòu)象.

      表1 氯仿和THF分子的四種基本構(gòu)象Table 1 Four reference configurations of CHCl3and THF molecules

      圖1及圖2給出了氯仿和THF分子的四種基本構(gòu)象在各能量區(qū)間內(nèi)的構(gòu)象數(shù)目.從圖中我們可以清楚地看到所選的分子構(gòu)象在較低的能量范圍內(nèi)較多,且構(gòu)象數(shù)隨著能量的升高而逐漸減小.

      表2 氯仿和THF分子的GB參數(shù)Table 2 GB parameters of CHCl3and THF molecules

      在參數(shù)擬合的具體過程中,5個自由參數(shù)(l,d, ε0,εE/εS,dw)由遺傳算法擬合得到.表2給出用上述方案擬合得到的氯仿和THF分子的GB參數(shù).

      2.2.2 EMP的參數(shù)擬合

      在擬合粗粒化模型的EMP參數(shù)時,本文首先應(yīng)用Gaussian 03軟件包31的MP2方法采用6-311G** (2d,2p)機組計算得到了兩種分子的電勢,然后利用GDMA程序32對電勢進行電荷、偶極和四極的擬合,最后得到了兩種分子粗粒化模型的EMP參數(shù).表3中給出了氯仿和THF的EMP參數(shù).

      2.3 模擬體系與動力學(xué)模擬方法

      為了檢驗本文對氯仿和THF分子粗?;P虶B-EMP參數(shù)的擬合,我們利用粗?;P蛯煞N有機分子溶劑進行了粗?;姆肿觿恿W(xué)模擬.為了在計算的過程中可任意地在粗?;P秃腿幽P烷g進行轉(zhuǎn)換,方便容易地比較CG模型和全原子模型的結(jié)果,故本文在計算中采用了TINKER軟件包.此外還基于如下考慮,即TINKER也包含了對粗?;W覩B-EMP能量、力和力矩部分的計算,并可在慣性系中非常容易地整合GB和EMP兩部分的計算結(jié)果.

      氯仿和THF有機溶劑的立方體盒子由Materials Studio(MS)5.0軟件生成,其邊長均為3 nm.對GB和EMP兩部分的截斷半徑都取為1.2 nm(這考慮到在通常情況下,要求截斷半徑值不大于盒子邊長的一半).CG模型和全原子模型的分子動力學(xué)模擬都是采用NVT系綜在室溫(298 K)下進行的.基于全原子模型的分子動力學(xué)模擬的計算步長取為1 fs.文獻14對考慮了GB-EMP效應(yīng)的CG模型的時間步長作了實驗,推薦CG模型的計算步長可取5-20 fs.考慮到由于自由度的減小,以及分子內(nèi)高頻運動的“屏蔽”,在本文我們?nèi)r間步長為5 fs.在對運動方程進行數(shù)值化處理時,兩種模型的計算都采用了TINKER推薦的BERMAN積分算法.25

      3 結(jié)果與討論

      3.1 對范德華相互作用的分析

      在圖3中,我們比較了分別利用CG模型和全原子模型計算得到的氯仿分子的范德華相互作用勢,可以看到CG模型結(jié)果與全原子模型結(jié)果總體符合得較好.對面對面及交叉結(jié)構(gòu),兩種方法得到的作用曲線幾乎完全相同;而對于邊對邊及T型構(gòu)象,可以看出相比于全原子模型,粗粒化模型得到了較小的阱深和距離參數(shù),這一現(xiàn)象對T型構(gòu)象尤為明顯.此外,基于粗?;P蛯λ姆N構(gòu)象的計算結(jié)果整體趨勢較好地符合了Gay及Berne16的結(jié)論.

      通過將分子構(gòu)象的取樣圖(圖1)與范德華相互作用勢能曲線圖(圖3)進行比較,可以發(fā)現(xiàn)分子構(gòu)象數(shù)最多的能量區(qū)域正好對應(yīng)于范德華相互作用勢能曲線圖的最低點區(qū)域,這也印證了分子構(gòu)象都趨于位于能量最低的構(gòu)象狀態(tài)的結(jié)論.19

      圖4給出了基于兩種模型對THF分子范德華相互作用的比較.從圖中可以看出,相比于結(jié)構(gòu)簡單的氯仿分子,對THF分子進行粗粒化模型的計算結(jié)果與全原子結(jié)果有較大的偏差.這表現(xiàn)在對應(yīng)于四種基本構(gòu)象的阱深參數(shù)和距離參數(shù)都一致性地小于全原子模型的計算結(jié)果.從圖3和圖4中,我們也觀察到兩種分子的交叉結(jié)構(gòu)和邊對邊結(jié)構(gòu)的范德華作用曲線非常接近,幾乎重合,這一現(xiàn)象很好地支持了文獻16的結(jié)論.在對粗?;瘏?shù)做多次擬合后,計算結(jié)果仍然如此,由此我們認(rèn)為出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因是我們僅考慮了單位點情況.這也建議在用粗?;P蛯?fù)雜結(jié)構(gòu)的分子來計算分子間范德華相互作用時應(yīng)考慮增加相互作用位點.

      圖3 基于粗粒化模型和全原子模型對氯仿分子的范德華相互作用曲線的比較Fig.3 Comparison of van der Waals potential of CHCl3 based on the CG model and the all-atom model The curves of four configurations,namely face to face(lines 1 and2),side by side(lines 5 and 6),T-shape(lines 3 and 4),and cross shape(lines 7 and 8),are also displayed,respectively.

      圖4 基于粗?;P秃腿幽P蛯HF分子的范德華相互作用曲線的比較Fig.4 Comparison of van der Waals potential of THF based on the CG model and the all-atom modelThe curves of four configurations,namely face to face(lines 1 and 2),side by side(lines 5 and 6),T-shape(lines 3 and 4)and cross shape(lines 7 and 8),are also displayed,respectively.The results of the CG model are represented with solid lines,and the dash lines are the results of the all-atom model.

      考慮到粗粒化模型的普遍特征,10在目前階段的工作中,要進一步檢驗粗粒化模型的計算效率,還需結(jié)合其他物理量,如溶劑的徑向分布曲線等來做進一步研究.

      3.2 徑向分布函數(shù)的比較分析

      需要指出,為了比較兩種模型得到的徑向分布函數(shù)曲線,首先需要把用粗?;P偷玫降腃G軌跡轉(zhuǎn)換為全原子軌跡.圖5給出了氯仿分子的徑向分布函數(shù)曲線.從圖中可以看出,盡管時間步長增大為5 fs,粗粒化的分子動力學(xué)模擬仍能給出一條穩(wěn)定的軌跡,這說明CG模型能夠較好地重復(fù)全原子的模擬結(jié)果.與全原子模型相比,CG模型的徑向分布函數(shù)曲線起伏較少,這符合粗?;P偷幕咎卣?從C-H徑向分布曲線可看出,在0.65 nm處CG模型得到一波峰,此外從Cl-Cl及H-Cl徑向分布曲線還可看出CG模型不能重現(xiàn)0.30 nm處的波峰,但當(dāng)距離較大時,CG模型和全原子模型的結(jié)果符合得較好.在距離較小處,兩者的結(jié)果符合得較差,其原因可能與EMP相互作用位點的放置有關(guān).在本文中,與GB相互作用位點的放置相同, EMP作用位點放置在粗粒化粒子的質(zhì)心上,這樣就造成了對電多極展開勢空間分布描述的偏差,從而影響了對電負(fù)性較強元素(Cl元素)的相關(guān)徑向分布函數(shù)曲線的模擬.而我們注意到Golubkov和Ren等33在最近實驗工作中把EMP作用位點放到了其他位置上,相比于他們之前工作,14這樣更好地模擬了所研究體系的相關(guān)性質(zhì).這也提示在以后的工作中,應(yīng)針對分子的具體結(jié)構(gòu),考慮把EMP位點放在其他位置(如C原子上)而不是分子的質(zhì)心,或者考慮增加額外的相互作用位點.

      圖6給出了THF溶劑的徑向分布函數(shù)曲線.可以看出CG模型能較好地重復(fù)全原子的模擬結(jié)果,然而必須指出的是,與兩種方法得到的范德華相互作用曲線的較大差異不同,兩種模型的模擬結(jié)果符合得較好,沒有出現(xiàn)類似于氯仿的徑向分布曲線中的較大差異.鑒于分子結(jié)構(gòu)的差異,相比于將EMP相互位點放置在氯仿粗?;W拥馁|(zhì)心上,將該位點放置在THF粗?;W拥馁|(zhì)心上,目前我們認(rèn)為是一種可以接受的處理方式.對于CG模型仍然不能較好地重復(fù)全原子模型在0.30 nm處的較小起伏,我們認(rèn)為考慮增加相互作用位點或者適當(dāng)?shù)卣{(diào)整EMP作用位點的位置會提高粗?;P偷挠嬎憔?

      圖5 對基于兩種模型得到的氯仿溶劑的徑向分布函數(shù)(RDF)曲線的比較Fig.5 Comparison of radial distribution functions(RDF)of CHCl3solvent based on the two models(a)C-H,(b)Cl-Cl,(c)H-Cl;Theresultsof theCG modelarerepresentedwithsolidlines,andthedash linesaretheresultsof theall-atommodel.

      圖6 對基于兩種模型得到的THF溶劑的徑向分布函數(shù)(RDF)曲線的比較Fig.6 Comparison of radial distribution functions(RDF)of THF solvent based on the two models(a)C-H,(b)H-H,(c)O-H;The results of the CG model are represented with solid lines,and the dash lines are the results of the all-atom model.

      通過CG模型進行分子動力學(xué)模擬的主要優(yōu)點是可以在保證一定精度的條件下較大幅度地提高計算的效率,這主要是由于用粗粒化的GB-EMP相互作用代替了多對原子間的相互作用,使得自由度數(shù)得到了較大地減少.此外一重要因素便是由于忽略了鍵長、鍵角和二面角的高頻運動,而使得模擬的時間步長增大了.

      還需指出的是,由于在處理Gay-Berne效應(yīng)中引入的dw參數(shù)較好地控制了GB勢的柔性,所以用本文中的CG模型還可用來模擬更大的復(fù)雜分子體系.此外在考慮了能更精確地描述靜電相互作用的電多極勢效應(yīng)后,使得基于CG模型模擬那些帶高電量的生物大分子體系成為可能.

      4 結(jié)論

      為了精確描述非球形分子間的相互作用,考慮了Gay-Berne效應(yīng)和電多極勢效應(yīng),基于粗粒化模型對氯仿和THF兩種有機溶劑進行了分子動力學(xué)模擬,并同全原子模擬結(jié)果進行了比較.為此本文首先對研究體系的分子構(gòu)象進行了合理取樣,然后利用描述有機分子的GAFF力場,通過與全原子的范德華勢進行比較后,用遺傳算法擬合得到了GB參數(shù).在擬合GB參數(shù)的過程中,我們也注意到構(gòu)象選取對計算結(jié)果的影響,針對CHCl3和THF兩種有機溶劑中面對面、邊對邊、T型及交叉結(jié)構(gòu)這四種構(gòu)象出現(xiàn)幾率相對較大,及分子構(gòu)象都趨于位于能量最低的構(gòu)象狀態(tài)的特征,利用Monte Carlo方法基于Boltzmann分布得到了擬合參數(shù)的構(gòu)象集,最后利用遺傳算法得到了描述粗粒化粒子間相互作用的GB參數(shù).結(jié)合利用量化計算得到的EMP參數(shù),我們就獲得到了精確描述兩種有機分子的GB-EMP參數(shù).利用得到的粗?;瘏?shù),基于粗粒化模型對范德華相互作用曲線和徑向分布函數(shù)曲線進行的計算表明粗?;P湍芤暂^高的效率從整體上重復(fù)全原子的計算結(jié)果,但是在某些細(xì)節(jié)方面,粗?;P筒荒芎芎玫胤先拥姆肿觿恿W(xué)模擬結(jié)果,這主要與目前工作描述相互作用的位點較少及相互作用位點放置簡單有關(guān).為此我們應(yīng)在下一步工作中增加相互作用位點,并應(yīng)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整GB位點和EMP位點的具體位置.

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      Febraury 28,2011;Revised:May 9,2011;Published on Web:June 14,2011.

      Molecular Dynamics Simulation of Organic Solvents Based on the Coarse-Grained Model

      XU Pei-Jun1TANG Yuan-Yuan1,2ZHANG Jing1ZHANG Zhi-Bo1WANG Kun1SHAO Ying3SHEN Hu-Jun2,*MAO Ying-Chen1,*
      (1School of Physics and Electronic Technology,Liaoning Normal University,Dalian 116029,Liaoning Province,P.R.China;
      2Dalian Institute of Chemical Physics,Chinese Academy of Sciences,Dalian 116023,Liaoning Province,P.R.China;
      3Department of Physics,Dalian Maritime University,Dalian 116026,Liaoning Province,P.R.China)

      To obtain Gay-Berne(GB)parameters,we carried out Monte Carlo sampling of four reference configurations based on the Boltzmann distribution.After comparing with the van der Waals potential within the all-atom model we obtained the GB parameters.Also by fitting the charge,dipole,and quadrupole with the electric potential obtained from quantum chemical computations with Gaussian 03 we obtained the electric multipole potential(EMP)parameters.With the GB-EMP parameters we then carried out molecular dynamics simulations(MDS)for CHCl3and tetrahydrofuran(THF)based on the coarsegrained(CG)model.Compared with the all-atom model,the CG model can reproduce the simulation results on the whole,but there are some deviations in the simulations in some details.The reason is that we only take one interaction site into account in this work.Therefore,for more complicated molecules it is necessary to take the placement of the interaction sites into account.Additionally,the multi-sites situation is also considered in the MDS within the frame of the coarse-grained model.

      Coarse-grained model;Gay-Berne potential;Electric multipole potential;Radial distribution function;Molecular dynamics simulation

      O645;O641

      *Corresponding authors.MAO Ying-Chen,Email:myc@lnnu.edu.cn;Tel:+86-411-82158367.SHEN Hu-Jun,Email:hshen@dicp.ac.cn; Tel:+86-411-84379875.

      The project was supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities,China(2009QN069).

      中央高校專項資金優(yōu)秀青年教師基金(2009QN069)資助項目

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