CN101936828B - 一种模拟吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的系统，其特征在于，包括卷烟夹持器、滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置、单通道吸烟机、控制呼出烟气流经口腔和鼻腔比例的三通调节阀、滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置、模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分的装置、模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分的装置、无极调速电动机和动力传动机构、排烟口；所述的吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的模拟装置系统置于整体式恒温罩中。利用该系统能更准确的模拟人类吸食烟草、主流烟气流经口腔、鼻腔的生物物理和生物化学过程，便于对烟气流经人体的过程进行更深入和更准确的研究。

Description

一种模拟吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的系统

技术领域

本发明涉及一种模拟吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的系统。

技术背景

烟草制品，包括卷烟和雪茄，是通过吸食其烟气达到使用效果的特殊商品。烟气化学成分的生理、生化、毒理方面的研究有赖于先进合理的捕集和吸收烟气化学成分的方法和装置。在卷烟烟气捕集和吸收研究方面，一直采用自动吸烟机模拟人抽吸卷烟的过程，这与人类吸食卷烟时，主流烟气通过口腔吸入、经气管、支气管到达肺部，然后再由肺部经支气管、气管、口腔和鼻腔呼出的生物物理过程存在明显差异。同时，忽略了主流烟气中的化学物质与口腔唾液接触并被吸收、引起口腔感官生理感觉的生物化学特性，以及主流烟气中的化学物质引起鼻腔感官生理感觉的生物化学特性。这些都严重影响了卷烟烟气分析的可靠性和科学性。众所周知，只有那些能与人体相关感觉器官发生作用的烟气化学成分，才对吸烟过程产生的感觉有影响。因此，发展新的能正确模拟人类吸食烟草的生物物理、生物化学过程和环境的烟气仿生吸收方法和技术很有必要，这样捕集到的烟气化学成分与人抽烟获得的生理感受之间的相关性更强，从而可以更好地开展烟草化学、卷烟新产品开发、吸烟与健康等相关基础和应用领域的研究。

发明内容

本发明的目的是提出一种模拟吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的系统。该系统能够更准确的模拟人类吸食烟草、主流烟气流经口腔、鼻腔的生物物理、生物化学过程，便于对烟气流经人体的过程进行更深入和更准确研究。

本发明的技术解决方案如下：

一种模拟吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的系统，卷烟夹持器经滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置与单通道吸烟机相连；

三通调节阀的第一个端口接单通道吸烟机，三通调节阀的第二个端口通过滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置与第一排烟管道相接，三通调节阀的第三个端口依次经模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分的装置以及模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分的装置与第二排烟管道连接；

由电机驱动的滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置以及滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置均通过皮带传动机构与电机相连；

在滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置以及滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置中均加入有口腔仿生吸收液；在模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分的装置中加入有二次蒸馏水，在模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分的装置中加入有二氯甲烷、环己烷、苯或甲苯。

滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置和滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置结构相同，具体结构为：旋转滚筒两端分别设有吸收瓶左帽和兼作皮带轮的吸收瓶右帽，吸收瓶左帽与旋转滚筒的左端部之间设有硅橡胶密封垫圈，旋转滚筒两端装有与旋转滚筒内壁导通的烟气管道，滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置和滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置均安装在固定支架上。

所述的口腔仿生吸收液具体配方为：NaCl 0.4g·L^-1，KCl 0.4g·L^-1，CaCl₂·2H₂O 0.906g·L^-1，NaH₂PO₄·2H₂O 0.69g·L^-1，Na₂S·9H₂O 0.005g·L^-1，Urea 1.0g·L^-1，黏液素0.2g·L^-1，溶菌酶0.044g·L^-1，淀粉酶520U·L^-1；pH值为6.8；口腔仿生吸收液在滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置以及滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置中的加入量均为10mL，在旋转滚筒的旋转作用下，口腔仿生吸收液在旋转滚筒的内壁形成一层0.1-2mm的液体层。

模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分的装置与模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分的装置结构相同，其结构为：石英玻璃气体吸收瓶以竖直方向设置在固定架上，石英玻璃气体吸收瓶的上端和下端均设有连接管道，连接管道为黄铜管、无缝钢管或塑料管。

本发明的技术构思：

人吸烟的过程与呼吸过程密切相关，伴随特定的呼吸过程完成卷烟、雪茄等烟草制品的吸食。人吸烟过程中主流烟气流经相关器官的生物物理过程是：吸入烟气时主流烟气与空气混合，通过布满唾液的口腔和咽喉，经气管、支气管到达肺部；吐出烟气时该混合气由肺部经过支气管、气管、咽部、口腔和鼻腔而呼出。吸入速度是先慢、后快、再慢，吸入速度与时间的关系类似于钟形曲线。

人吸食烟草制品产生的愉悦和快感是烟气在其通过人体行进过程中有关化学成分与人体具有感受能力的器官发生作用的结果。这些器官主要是口腔和鼻腔。在口腔和舌的表面上，分布着一层唾液。在吸食卷烟过程中，烟气的有关化学成分首先溶解于唾液中，或者说被唾液吸收，然后扩散传输到口腔和舌表面的味觉感受点，产生味觉感受。口腔与烟气接触的表面积约100cm²。咽喉、气管、支气管和肺没有嗅觉和味觉感受能力，在卷烟吸食过程中除由于特殊化学物质产生的刺激作用引起不适和/或可能导致炎症外，不会使人对卷烟质量产生感觉。鼻腔有嗅觉感受能力。嗅觉感觉的作用就是让人感觉到各种不同的气味。在卷烟吸食过程中，鼻腔是吐出烟气时的最后通道，烟气的有关化学成分首先进入鼻腔粘膜，然后扩散传输到鼻腔表面的嗅觉感受点，产生嗅觉感受。根据前人的研究成果，嗅觉的刺激物必须是气体物质，只有挥发性有味物质的分子，才能成为嗅觉细胞的刺激物。嗅觉的刺激物包括水溶性组分和油溶性组分。鼻腔与烟气接触的表面积约240cm²。

基于上述人吸烟时主流烟气经历的生物物理和生物化学过程，设计了上述吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的模拟装置系统。

所述吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的模拟装置系统模拟烟气吸入顺序为：卷烟夹持器---模拟口腔装置----单通道吸烟机；模拟烟气吐出顺序为：单通道吸烟机----模拟口腔装置---排烟口一，以及单通道吸烟机----模拟鼻腔装置---排烟口二。

所述吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的模拟装置系统的内部环境温度控制在35-40℃，优选为37℃；模拟装置系统抽吸卷烟的频率为0.5-2□/min，优选为1□/min；连续抽吸时间为1-4sec，优选为2sec；连续抽吸期间，吸入速度为先慢、后快、再慢，吸入速度与时间的关系类似于钟形曲线；抽吸时每口气体吸入量为25-40mL，优选为35mL；烟气吐出时间为1--3sec，优选为2sec.

所述吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的模拟装置系统中，模拟口腔吸烟、吐烟装置中模拟口腔与烟气的接触面积均为50-200cm²；模拟口腔吸烟、吐烟装置中人工吸收液均为5-50毫升；通过动力装置，在模拟口腔表面形成薄层，厚度0.1-2mm；模拟鼻腔装置中模拟鼻腔与烟气的接触面积50-250cm²，模拟鼻腔中人工吸收液5-50毫升。

所述吸烟者器官腔对吸烟过程中主流烟气吸收的模拟装置系统中，模拟肺部抽吸/排气的设备是商品化的RM1/Plus型单通道吸烟机(德国borgwaldt-kc公司)。

所述吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的模拟装置系统中，卷烟夹持器、三通调节阀、电动机为外购标准件，滚筒旋转由电动机通过皮带驱动，滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置和滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置中的动、静部件结合处设置有起密封作用的硅橡胶垫圈。电动机即电机采用无级调速电机。

本发明的有益效果为：

目前，常用卷烟烟气成分的捕集技术是用自动吸烟机抽吸卷烟，用剑桥滤片捕集主流烟气的粒相物，用液体吸收池捕集烟气的气相物，这样获得的烟气化学成分信息与人吸烟时各感觉器官的感受之间的相关性不强。与之相比，本发明技术可以获得人吸烟时与口腔、鼻腔产生相互作用的烟气的化学成分信息，这些信息直接反映吸烟者口腔、鼻腔的生理感受，与卷烟产品感官质量相关性强，相应的分析数据更能反映卷烟产品的质量。因此，本发明的装置能够在烟草化学、卷烟新产品开发、吸烟与健康等相关基础和应用研究领域中发挥重要作用。

附图说明

图1为本发明装置系统的结构示意图。图中：1--卷烟夹持器，2--滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置，3--连接滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置出口与单通道吸烟机吸入口的管道，4--单通道吸烟机，5--连接单通道吸烟机排烟口与三通调节阀入口的管道，6-三通调节阀，7-连接三通调节阀出口之一与滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置的管道，8--滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置，9--第一排烟管道，10-电机，11--模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分的装置，12--连接模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分装置出口与模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分装置入口的管道，13--模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分的装置，14--第二排烟管道，15--整体式恒温罩。

图2为滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置和滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置的结构示意图。图中，16-固定支架，17-烟气导管，18-吸收瓶左帽，19-硅橡胶密封垫圈，20-有机玻璃吸收瓶(滚筒)，21-吸收瓶右帽(兼作皮带轮)。

图3为模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分装置和模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分装置的结构示意图。图中，22---烟气入口，23---固定架，24---烟气出口。

图4为烟气鼻腔脂溶性组分吸收液气相色谱图-前20min部分。

图5为烟气鼻腔脂溶性组分吸收液气相色谱图-后40min部分。

图6为烟气口腔吸收液和鼻腔水溶性组分吸收液的试样预处理方法流程。

图7为烟气口腔吸收液碱性组分分析样的气相色谱图。

图8为烟气口腔吸收液中性组分分析样的气相色谱图。

图9为烟气口腔吸收液酸性组分分析样的气相色谱图。

图10为烟气鼻腔水溶性组分吸收液碱性组分分析样的气相色谱图。

图11为烟气鼻腔水溶性组分吸收液中性组分分析样的气相色谱图。

图12为烟气鼻腔水溶性组分吸收液酸性组分分析样的气相色谱图。

说明：图4-5，图7-12的纵轴为响应值。

具体实施方式

以下实施方式和实施例旨在进一步说明本发明，而不是对本发明的限定。

将点燃的卷烟烟支安装在卷烟夹持器1上，燃烧产生的主流烟气在单通道吸烟机4模拟人吸烟状况的负压作用下，进入滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置2，烟气在其中与由于旋转产生的、附着于吸收瓶壁的仿生吸收液产生类似于人体口腔的接触，并被仿生吸收液生化吸收。从吸烟机模拟人肺排出的烟气经过三通调节阀6后，部分进入滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置8，被生化吸收后的残余烟气，通过第一排烟管道9从装置中排出；经三通调节阀6的另一部分烟气进入模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分的装置11，呼出烟气中的水溶性组分在此被吸收，剩余烟气进入模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分的装置13，呼出烟气中的脂溶性组分在此被吸收，残余烟气通过第二排烟管道14排出。整个仿生吸收系统均处于整体式恒温罩15内，达到模拟人体温度的效果。电机10(无级调速电动机)通过皮带轮驱动，并控制滚筒旋转式模拟口腔吸烟及滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置旋转的转速，达到仿真的目的。抽吸1支或数支卷烟后，将滚筒旋转式模拟口腔吸烟及滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置中的旋转滚筒取下，合并其中的吸收液，即得到模拟口腔吸收液；分别将模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分的装置和模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分的装置取下，得到模拟鼻腔水溶性组分吸收液和模拟鼻腔脂溶性组分吸收液。吸收液试样经合适的预处理后，对其相关的化学成分进行分析检测。

实施例1：

如图1所示，一种模拟吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的系统，卷烟夹持器1经滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置2与单通道吸烟机4相连；

三通调节阀6的第一个端口接单通道吸烟机，三通调节阀6的第二个端口通过滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置8与第一排烟管道9相接，三通调节阀6的第三个端口依次经模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分的装置11以及模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分的装置13与第二排烟管道14连接；

由电机10驱动的滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置2以及滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置8均通过皮带传动机构与电机10相连；

在滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置2以及滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置8中均加入有口腔仿生吸收液；在模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分的装置11中加入有二次蒸馏水，在模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分的装置13中加入有二氯甲烷、环己烷、苯或甲苯。

如图2，滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置2和滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置8结构相同，具体结构为：旋转滚筒20两端分别设有吸收瓶左帽18和兼作皮带轮的吸收瓶右帽21，吸收瓶左帽18与旋转滚筒20的左端部之间设有硅橡胶密封垫圈19，旋转滚筒20两端装有与旋转滚筒内壁导通的烟气管道17，滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置2和滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置8均安装在固定支架16上。

所述的口腔仿生吸收液具体配方为：NaCl 0.4g·L^-1，KCl 0.4g·L^-1，CaCl₂·2H₂O0.906g·L^-1，NaH₂PO₄·2H₂O 0.69g·L^-1，Na₂S·9H₂O 0.005g·L^-1，Urea 1.0g·L^-1，黏液素0.2g·L^-1，溶菌酶0.044g·L^-1，淀粉酶520U·L^-1；pH值为6.8；口腔仿生吸收液在滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置以及滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置中的加入量均为10mL，在旋转滚筒的旋转作用下，口腔仿生吸收液在旋转滚筒的内壁形成一层0.1-2mm的液体层。

如图3，模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分的装置11与模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分的装置13结构相同，其结构为：石英玻璃气体吸收瓶以竖直方向设置在固定架23上，石英玻璃气体吸收瓶的上端和下端均设有连接管道，连接管道为黄铜管、无缝钢管或塑料管。

基于本发明的仿生吸收法卷烟烟气吸收液的气相色谱分析。取某国产烤烟型成品卷烟样，在温度22±1℃、相对湿度60±3％环境下平衡水分48h，按行业标准进行重量和吸阻筛选，筛选出合格烟支；在模拟口腔吸收的两只滚筒中各加入10mL口腔仿生吸收液，在模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分的装置中加入10mL二次蒸馏水，在模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分的装置中加入10mL二氯甲烷。启动动力装置，控制模拟装置内部温度37℃，控制在标准吸烟条件(1口/min，每口连续抽吸2sec，每口抽吸气体35mL)下，抽吸卷烟样40支，同时发生生化吸收。然后，分别倾倒出口腔吸收液、鼻腔水溶性组分吸收液和鼻腔脂溶性组分吸收液，室温下超声萃取20min，静置5min。

将上述所得鼻腔脂溶性组分吸收液直接进行气相色谱分析。所采用的气相色谱分析条件如下：DB-FFAP弹性石英毛细管柱，60m×0.25mm×0.25μm；进样口温度：250℃；检测器：FID，检测器温度：250℃；分流比：10∶1；进样量：2μl；升温程序：，

图4、5所示为国产某品牌烤烟型卷烟样经本发明仿生吸收法获得的鼻腔脂溶性组分吸收液试样的气相色谱图。图上，各个色谱峰对应于烟气中进入鼻腔的不同的脂溶性组分，通过对各组分峰进行定性定量分析可以弄清楚这些脂溶性组分的种类和相对量；通过对整个色谱图进行指纹轮廓分析，可以对比评价不同品牌卷烟产品主流烟气中脂溶性组分的分布特征。

将上述所得口腔吸收液和鼻腔水溶性组分吸收液进行相同的试样预处理，获得相应的碱性、中性、酸性组分分析试样，然后分别进行气相色谱分析。图6所示为试样预处理的方法流程。所采用的气相色谱分析条件如下：(1)碱性组分分析：RTX-WAX弹性石英毛细管柱，30m×0.25mm×0.25μm；进样口温度：250℃；检测器：FID，检测器温度：250℃；分流比：10∶1；进样量：2μl；升温程序：

(2)中性组分分析：升温程序：

其余条件同碱性组分分析；(3)酸性组分分析：升温程序：

其余条件同碱性组分分析。图7、8、9分别为国产某品牌烤烟型卷烟样经本发明仿生吸收法获得的口腔吸收液试样的碱性、中性、酸性组分分析样的气相色谱图；图10、11、12分别为国产某品牌烤烟型卷烟样经本发明仿生吸收法获得的鼻腔水溶性组分吸收液试样的碱性、中性、酸性组分分析样的气相色谱图。通过对色谱图上各组分峰进行定性定量分析，可以弄清楚相应试样中碱性、中性、酸性组分的种类和相对量；通过对整个色谱图进行指纹轮廓分析，可以对比评价不同品牌卷烟产品主流烟气中相应各类组分的分布特征，这部分内容为现有技术。

综合如图4、5所示的鼻腔脂溶性组分的气相色谱信息和如图10、11、12所示的鼻腔水溶性组分中的碱性、中性、酸性组分的气相色谱信息，可以弄清楚影响烟气鼻腔感觉的化学物质源基础；通过对整个色谱图进行指纹轮廓分析，可以对比评价不同品牌卷烟主流烟气中鼻腔感觉组分的分布特征，这部分内容为现有技术。

综合如图4、5、7-12所示的气相色谱信息，可以弄清楚人抽烟时使口腔、鼻腔产生感觉的化学物质源基础；通过对这些色谱图进行整体指纹轮廓分析，可以对比评价不同品牌卷烟主流烟气中各类与人吸烟产生感觉有关的组分的分布特征。利用本发明技术所获得的信息，体现了人类吸烟过程的生物物理和生物化学过程特点，与人吸烟产生的生理感觉相关性强，通过用化学计量学技术处理，可以用于研究不同品牌卷烟产品的吸食风格特征，可以更好地开展烟草化学、卷烟新产品开发、吸烟与健康等相关基础和应用领域的研究。

Claims (4)

1.一种模拟吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的系统，其特征在于，

卷烟夹持器(1)经滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置(2)与单通道吸烟机(4)相连；

三通调节阀(6)的第一个端口接单通道吸烟机，三通调节阀(6)的第二个端口通过滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置(8)与第一排烟管道(9)相接，三通调节阀(6)的第三个端口依次经模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分的装置(11)以及模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分的装置(13)与第二排烟管道(14)连接；

由电机(10)驱动的滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置(2)以及滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置(8)均通过皮带传动机构与电机(10)相连；

在滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置(2)以及滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置(8)中均加入有口腔仿生吸收液；在模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分的装置(11)中加入有二次蒸馏水，在模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分的装置(13)中加入有二氯甲烷、环己烷、苯或甲苯；

整个模拟吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的系统均处于整体式恒温罩内。

2.根据权利要求1所述的模拟吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的系统，其特征在于，滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置(2)和滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置(8)结构相同，具体结构为：旋转滚筒(20)两端分别设有吸收瓶左帽(18)和兼作皮带轮的吸收瓶右帽(21)，吸收瓶左帽(18)与旋转滚筒(20)的左端部之间设有硅橡胶密封垫圈(19)，旋转滚筒(20)两端装有与旋转滚筒内壁导通的烟气管道(17)，滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置(2)和滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置(8)均安装在固定支架(16)上。

3.根据权利要求2所述的模拟吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的系统，其特征在于，所述的口腔仿生吸收液具体配方为：NaCl 0.4g·L^-1，KCl 0.4g·L^-1，CaCl₂·2H₂O 0.906g·L^-1，NaH₂PO₄·2H₂O 0.69g·L^-1，Na₂S·9H₂O 0.005g·L^-1，Urea 1.0g·L^-1，黏液素0.2g·L^-1，溶菌酶0.044g·L^-1，淀粉酶520U·L^-1；pH值为6.8；口腔仿生吸收液在滚筒旋转式模拟口腔吸烟吸收装置以及滚筒旋转式模拟口腔吐烟吸收装置中的加入量均为10mL，在旋转滚筒的旋转作用下，口腔仿生吸收液在旋转滚筒的内壁形成一层0.1-2mm的液体层。

4.根据权利要求1-3任一项所述的模拟吸烟者器官对吸烟过程中主流烟气吸收的系统，其特征在于，模拟鼻腔吸收烟气中水溶性组分的装置(11)与模拟鼻腔吸收烟气中脂溶性组分的装置(13)结构相同，其结构为：石英玻璃气体吸收瓶以竖直方向设置在固定架(23)上，石英玻璃气体吸收瓶的上端和下端均设有连接管道，连接管道为黄铜管、无缝钢管或塑料管。

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