CN102822719A - 用于显微镜的样品定位器 - Google Patents

Abstract

描述一种用于显微镜的样品定位器，包括：样品台(32)；托架(34)，所述托架(34)布置在所述样品台(32)上；样品载台(36)，所述样品载台(36)可连接至所述托架(34)，样品可附接至所述样品载台(36)；和调节装置(44)，所述调节装置(44)接合在所述托架(34)上，所述调节装置(44)与所述样品载台(36)、与连接至所述样品载台(36)的托架(34)一起，在所述样品台(32)上相对于所述物镜(46)可移置至目标位置。提供分离装置，当通过所述物镜(46)对所述样品成像时，所述分离装置将布置在所述目标位置的所述样品载台(36)从所述托架(34)分离。

Description

用于显微镜的样品定位器

技术领域

本发明涉及根据权利要求1和权利要求2的前序部分的样品定位器。

背景技术

光学显微镜方法最近已被发展，基于单独的点状物体(特别是荧光分子)的连续的、随机的定位，利用光学显微镜方法有可能显示比传统光学显微镜的衍射限分辨率极限更小的图像结构。例如在WO 2006/127692A2；DE 102006021317B3；WO 2007/128434A1，US 2009/0134342A1；DE 102008024568A1；″Sub-diffraction-limit imaging by stochasticoptical reconstruction microscopy(STORM)，″Nature Methods 3，793-796(2006)，M.J.Rust，M.Bates，X.Zhuang；″Resolution of Lambda/10 in fluorescence microscopy using fast singlemolecule photo-switching，″Geisler C.等，Appl.Phys.A，88，223-226(2007)中描述了这样的方法。显微术的这个新分支也被称为“定位显微术”。这些应用的方法在文献中例如以PALM、FPALM、(F)STORM、PALMIRA或者GSDIM的名称而已知。

这些新方法的共同之处在于利用标记制备待成像的结构，该标记具有两个不同状态，即“亮”态和“暗”态。例如，如果使用荧光染料作为标记，则亮态为能够发荧光的状态，且暗态为不能发荧光的状态。为了以比成像光学系统的传统分辨率极限更小的分辨率对图像结构成像，标记中的小子集被重复地制备(prepare)到亮态。这个子集在下文被称为“激活的子集”。必须选择这个激活的子集以使在亮态中相邻的标记之间的平均距离大于成像光学系统的分辨率极限。激活的子集的亮度信号被成像到空间分辨的光检测器(例如，CCD照相机)上。因此从每个标记采集光斑，通过成像光学系统的分辨率极限确定该光斑的尺寸。

结果是多个单独的原始数据图像被采集，在每个单独的原始数据图像中对不同的激活的子集成像。在图像分析过程中，接着在每个单独的原始数据图像中确定光斑(表示在亮态中的标记)的中心点。然后将从单独的原始数据图像确定的光斑的中心点组合至一个全部描述(depiction)。由这个全部描述产生的高分辨率图像反映标记的分布。为了待成像的结构的典型的复制，必须检测足够大数量的信号。然而，由于在特定激活子集中标记的数量受在亮态中的两个标记之间必须存在的最小平均距离限制，因此为了完全地对该结构成像，必须采集非常大量的单独的原始数据图像。单独的原始数据图像的数量范围典型地为10000至100000。

采集单独的原始数据图像所需要的时间被成像检测器的最大图像采集速率限制在低端。这导致了该全部描述所必需的一系列单独的原始数据图像的总采集时间相对较长。该总采集时间因此可以总计多达数个小时。

正在被成像的样品相对于产生图像的光学系统的运动可以在这个较长的总采集时间期间发生。由于所有的单独的原始数据图像必须被组合，在确定中心点之后，为了产生高分辨率的整体图像，在采集两个连续的单独的原始数据图像期间发生的样品和产生图像的光学系统之间的任何相对运动会降低整体图像的空间分辨率。在很多情况下，这种相对运动源于由以下因素引起的系统的系统化机械运动(也被称为“机械漂移”)：例如，热膨胀或者热收缩，机械应力，或者用于机械部件中的润滑剂的稠度的变化。

以上所描述的效果将通过参考如图1中所示的常规的倒置的光学显微镜而说明如下。根据图1的显微镜具有U形台2，样品定位器4附接至U形台2的分支。样品定位器4包括样品平台6和布置在样品平台6上的托架8，具有样品的样品载台(图1中未进一步示出)被固定在托架8上。位于样品平台6下方的是具有多个物镜12的物镜转台10，多个物镜12能够可选择地枢转至穿过配备在样品平台6中的通孔14的成像光束路径中。被成像的样品可以通过目镜16被观测。位于U形台2上的还有端口18，检测器(例如，CCD照相机)可以连接在端口18处。

为了选择待成像的样品区域，托架8可以与固定至托架8的样品载台一起在样品台6上横向地(即与成像光束路径垂直地)被移动。为此设置如图1中完全示意性地示出的机械调节装置20。此处的一个问题是，调节装置20通常未以使用定位显微术采集上述高分辨率的整体图像所必需的漂移稳定的方式配备。如果机械漂移发生在调节装置20中，则机械漂移会被传递至托架8，最终导致样品和布置在成像光束路径中的物镜12之间的横向相对运动，并且因此导致组合至整体图像的单独的原始数据图像的漂移。

这类单独的原始数据图像的图像漂移还可能由将物镜转台10附接至U形台2引起。这种常规布置的结果是，由于通过样品托架8、样品台6、U形台2和物镜转台10将样品连接至物镜12，例如，物镜12和布置在托架8上的样品之间的与图像漂移相关的距离相对较大。因为这个相对较长的距离，根据图1的显微镜易受到在该距离中总计的热不稳定性和机械应力的影响。物镜转台10的相对较复杂的机理也易受到漂移的影响。

关于现有技术，请进一步地参考US 2004/0051978A1，DE 112005000017B4，和DE 1847180U。

发明内容

本发明的目的在于描述用于显微镜的样品托架，甚至在长期操作中，该样品托架具有足够的漂移稳定性。

本发明通过权利要求1和7的特征部分实现该目的。

根据权利要求1的样品定位器提供分离装置，当通过物镜对样品成像时，分离装置将布置在目标位置的样品载台从托架分离。托架和样品载台的分离防止当对样品成像时在接合在托架上的调节装置中发生的机械漂移被传递至样品载台且因此传递至样品本身。根据本发明，当对样品成像时样品载台因此是“不受约束的”，即样品载台不被易受漂移影响的调节装置所影响，调节装置用于将样品载台与托架一起移置至目标位置以通过物镜对样品成像。

根据本发明的样品定位器相应地有利地特别可用于如前所述的定位显微镜中，当然该定位显微镜特别地易受机械漂移的影响。然而不言而喻地，根据本发明的样品定位器也适用于最小化发生在样品定位器中的机械漂移对样品成像质量的影响是重要的的其他应用。

分离装置优选地包括至少一个支撑元件，至少一个支撑元件为托架的一部分，且当托架移置时接合在样品载台上，以及当通过物镜对样品成像时与样品载台断开相连。根据本实施例，分离装置是，好像是，以支撑元件的形式被集成至托架中的。支撑元件在此具有两个功能：一方面当托架移置时以定位稳定方式将样品载台定位在托架上，另一方面当对样品成像时将样品载台和托架相互分离。

支撑元件，例如是横向毗连样品载台和平行于样品台可枢转的柄。可选地，支撑元件也可以是横向毗连样品载台和垂直于样品台可移动的销。在后一种配置中，托架优选地包括布置在样品载台上方的框架，销可移动地安装在框架上。

当通过物镜对样品成像时，调节装置移动托架离开布置在目标位置的被分离的样品载台。这允许机械漂移从调节装置经由托架到样品载台的传递甚至更加可靠地被避免。

根据权利要求7的可选的方法提供压力装置，当通过物镜对样品成像时，将与托架连接且布置在目标位置的样品载台按压朝向样品台。测量通过压力装置施加在样品载台上的压力的大小，以使即使由于发生在调节装置中的机械漂移漂移力通过托架施加在样品载台上，该压力也以定位稳定方式将样品载台支撑在目标位置。

在一个优选的实施例中，压力装置包括至少两个相互施加磁相互作用的元件，其中一个布置在样品托架上，另一个布置在样品台上。例如，其中一个元件是铁磁的，而另一个是永磁体或电磁体。然而，其他的配置也是可以想到的，其他的配置例如为用弹簧或者夹具将样品载台按压到样品台上的压力装置。

样品定位器包括物镜支架，物镜支架附接至样品台，物镜被附接至物镜支架。这种物镜支架使得保持尽可能短的物镜和样品之间的与图像漂移相关的距离成为可能，以使在那段距离中发生的热不稳定性和机械应力具有比常规布置(例如，如图1所示的布置)的情况更小的漂移效应。

物镜支架优选地是用于将物镜聚焦到样品上的定位装置的一部分。定位装置可以形成例如大体L形的布置，大体L形的布置包括附接至样品台且平行于物镜的光轴布置的第一分支和可移动地安装在第一分支上的第二分支，物镜附接至第二分支。定位装置的L形配备使得使该布置的第一分支离物镜的光轴尽可能近成为可能，并且由此使得最小化物镜和样品之间的与图像漂移相关的距离成为可能。

在进一步有利的实施例中，提供导向装置，导向装置将物镜支架在样品台上可移动地引导，并且因而使得物镜支架从物镜支架将物镜支撑在成像光束路径中的工作区域可移开。除了根据本发明的物镜支架，这使得在显微镜中设置物镜转台成为可能，当将物镜支架从工作区域移开时必要时将物镜转台移至工作区域。“工作区域”在这种情况下是指通常位于样品台之下，成像光束路径穿过且物镜在其中聚焦在样品上的区域。这种配置因此提供可选择地采用常规物镜转台工作，或者如果对图像精度的要求特别严格，采用根据本发明的物镜支架工作的可能性。

导向装置优选地具有配备在样品台底侧的导向槽和在槽中引导且与定位装置的第一分支连接的滑座。定位装置因此可以特别容易地沿着样品台从工作区域移开。在一个特别简单的实施例中，滑座与定位装置的第一分支一体地配备。

在样品台底侧上优选地配备有细长的凹槽，当从工作区域移开物镜支架时物镜可在凹槽中移动。这种配置提供以下情况：物镜位于通孔内部，通孔穿过样品台，样品载台放置在通孔之上。在这种情况下，先将物镜从所述通孔中移开以将物镜支架从工作区域移开不是必需的。而是可以简单地将物镜在凹槽中横向移动至成像光束路径。这使得特别紧凑的构造成为可能。

在一个可选的实施例中，定位装置形成围绕物镜的光轴旋转地对称的布置，布置包括附接至样品台且中心轴与物镜的光轴重合的环状部分和可移动地布置在环状部分上的圆板，物镜同轴地附接至圆板。这种旋转地对称的构造降低由机械部件横向漂移至成像光束路径而引起的不利的影响。

定位装置优选地为压电驱动的装置。依其特性，这种装置具有先验地相对较小的漂移易感性。

在进一步有利的实施例中，提供环绕由物镜支架和物镜组成的布置的护罩，例如，用于保护该布置不受气流(draft)损害。这种护罩还可以提供给样品本身以保护样品也不受气流损害。

根据本发明的另一个方面，提供特别用于定位显微术中的显微镜，该显微镜装配有如上所述的样品定位器。

附图说明

下面将基于参考附图的示例性的实施例描述本发明，其中：

图1示出常规的倒置的显微镜；

图2为根据本发明的第一示例性实施例的样品定位器的立体图；

图3为根据第一示例性实施例的样品定位器的侧视图；

图4为根据第一示例性实施例的样品定位器的俯视图；

图5为根据本发明的第二示例性实施例的样品托架的侧视图；

图6为根据第二示例性实施例的样品托架的俯视图；

图7为根据本发明的第三示例性实施例的样品托架的侧视图；

图8为根据第三示例性实施例的样品托架的俯视图；

图9为根据本发明的第四示例性实施例的样品托架的侧视图；

图10为根据第五示例性实施例的样品托架的俯视图。

部件列表

2台

4样品定位器

6样品台

8托架

10物镜转台

12物镜

14通孔

16目镜

18端口

20调节装置

32样品台

34托架

36样品载台

38框架

40柄

42轴

44调节装置

46物镜

48定位装置

50通孔

52第一分支

54第二分支

56导向槽

58滑座

60细长的凹槽

62固定螺丝

64环状部分

66板

70框架

72销

74样品

76永磁体

具体实施方式

图2至图4各自示出根据第一示例性实施例的意欲用于显微镜的样品定位器的部件。

如图2所示，样品定位器包括样品台32和可横向移动地安装在样品台上的托架34。托架34用于固定样品载台36，样品载台36上可以布置有样品(未示出)。

托架34包括近似U形的框架38，样品载台36放置在框架38上。柄40围绕轴42可枢转地安装在框架38上。当柄40以它的自由端放置在样品载台36上时，柄40按压样品载台36朝向框架38的与柄40相对设置的部分，结果是将样品载台36夹持在托架34上在适当的位置。

设置调节装置44(完全示意性地在图3中示出)用于在样品台32上横向移动托架34。图3中还以简化的方式示出托架34(没有样品载台36和枢转柄40)。调节装置44接合在托架34上，特别是接合在托架34的框架38上，以将托架34移动至目标位置，在目标位置将布置在样品载台36上的样品如希望地布置在由物镜46(参见图3)的光轴所限定的成像光束路径中。物镜46被支撑在L形的定位装置48上，如图3的侧视图所示，定位装置48用于将物镜46聚焦在样品上。物镜46伸入穿过样品台32的通孔50中，物镜46的端部朝向样品。

定位装置48包括附接至样品台32且平行于物镜46的光轴布置的第一分支52，和可移动地安装在第一分支52上的第二分支54，物镜46附接至第二分支54，且第二分支54垂直于物镜46的光轴设置。可以通过压电驱动器(未示出)沿着第一分支52移动第二分支54以将物镜46聚焦在样品上。

为了建立待成像样品的区域，在精度控制系统(未示出)的控制下，调节装置44使托架34与固定至托架34的样品载台36一起移动至所希望的目标位置。在这种情况下，柄40按压样品载台36朝向框架38，结果是将样品载台36固定地定位在托架34中。一旦达到所希望的目标位置，柄40围绕轴42与样品台32平行地横向(向图2的左方)枢转，以使柄40从样品载台36分离。调节装置44接着将托架34从样品载台36稍微移开，以使样品载台36不再放置在托架34的框架38上。在这个状态下，样品载台36因此不受约束地放置在样品台32上(在通孔50之上)。由此有可能可靠地避免发生在接合在托架34上的调节装置的机械部件中的任何机械漂移运动通过托架34传递到样品载台36上。因此，以在很大程度上不受机械漂移影响的方式对样品成像是可能的。

在这个示例性的实施例中，柄40因此构成托架34和分离装置的一部分，分离装置用于当样品载台36一到达样品将被成像的目标位置时，就将样品载台36从托架34分离。

如从图3和图4中明白的，这也可通过将物镜46附接至L形的定位装置48而被增强。由于物镜46对样品台32的L形附接，物镜46和待成像样品之间的与图像漂移相关的距离因此比图1所示的常规配置更短，图1中与图像漂移相关的距离大体由U形台2限定。特别地从图4的俯视图中明白，可以将附接至样品台32的定位装置48的第一分支52布置得离物镜46的光轴相对近，以使由物镜46和定位装置48构成的布置具有相对紧凑的配置。

图5和图6示出作为第二示例性实施例的与图3和图4相比变型的实施例。图5示出侧视图，图6示出俯视图。在这个变型的实施例中，定位装置48可移置地附接至样品台32。为此，样品台32包括在样品台32底侧上的导向槽56，滑座58可移置地引导在导向槽56中。在该实施例中，滑座58与第一分支52的朝向样品的端部一体地配备。另外，在样品台32底侧上配备有细长的凹槽60，凹槽60毗连穿过样品台32的通孔50。

为了将定位装置48与支撑在定位装置48上的物镜46一起从工作区域移开，在工作区域中物镜46的朝向样品的端部被布置在通孔50内部，滑座58沿着样品台32在导向槽56中移动(在图6中向下移动)。在这种情况下，物镜46的朝向样品的端部在细长的凹槽60中移动。因此，在移动定位装置48之前，先沿着成像光束路径充分移动(在图5中向下移动)物镜46直至朝向样品的端部完全移出通孔50不是必需的。

为了将定位装置48固定在工作区域中，设置从上方拧入样品台32的固定螺钉62以将滑座58紧固在导向槽56中。

图7和图8示出了作为第三示例性实施例的进一步的变型例。图7示出侧视图，图8示出俯视图。从根据图7的侧视图可以最好地获知，本实施例中的定位装置48包括附接至样品台32的环状部分64，和可移动地布置在环状部分64上的圆板66。物镜46同轴地附接至圆板66。环状部分64的中心轴与物镜46的光轴重合。由物镜46和定位装置48构成的布置因此围绕物镜46的光轴旋转地对称。这个布置确保由热效应或者机械应力引起的该布置的机械部件的横向至光轴的漂移运动大大消失。

图9中的侧视图示出了作为第四示例性实施例的进一步变型的实施例。这个实施例就具有不同的托架34配置来说与图2所示的示例性实施例不同。根据图9的托架34因此包括布置成与样品台32的上侧垂直间隔开的框架70，多个垂直可移置的销72安装在框架70上。销72横向毗连样品载台36，结果是使样品载台36固定在托架34上。为了将托架34从样品载台36分离，将销72向上移置(如图9所示)以使销72不再毗连样品载台36。一旦销72被移动，样品载台36就是完全不受约束的。如图2所示的实施例中的托架34的另外的运动在此并非是必需的。

根据图10的俯视图示出了作为第五示例性实施例的变型的实施例。在如图2至9所示的示例性实施例中，当对样品(在图10中标记为74)成像时，将样品载台36从托架34分离，然而，根据图10的实施例提供压力装置，当对样品74成像时，压力装置将样品载台36按压朝向样品台32。在该示例性实施例中，压力装置由布置在样品载台36上的两个永磁体76构成，且由布置在样品台32上且与永磁体76相关联的两个铁磁区域构成。永磁体76和与其相关联的铁磁区域之间的磁相互作用确保样品载台36被足够牢固地按压至样品台32上，以避免发生在调节装置44中的机械漂移通过托架34传递至样品载台36上。为保证这点，在样品载台36上布置永磁体76，且在样品台32上布置与永磁体76相关联的铁磁区域，使得用于将样品载台36避免图像漂移地紧固在它的目标位置的意欲的磁相互作用是可能的。

也可以将永磁体76布置在样品台32上，且将铁磁区域布置在样品载台36上。永磁体76也可以被电磁体取代。电磁体可以通过精确控制系统(未示出)以限定的方式开启和关闭以实现所希望的效果。因此可以想到，例如，首先关闭电磁体，以使支撑在托架34上的样品载台36可以更容易地在样品台32上被移动。仅仅一旦到达目标位置，接着即开启电磁体以按压样品载台36朝向样品台32。

以上所说明的图2至10仅仅示出对理解阐述的各套实例所必需的样品定位器的那些部件。在根据图10的俯视图中，例如，将样品定位器的各个部件省略以简化描述，特别是托架34、调节装置44和物镜46。图2所示的这种托架可以使用例如在根据图10的实施例中；可以设置固定的托架部件，例如框架38的额外部分取代可枢转的柄40。

也必须指出的是图3至10所示的不同实施例可以有效地相互组合。例如，图2和图8所示的关于样品载台36的分离的实施例、以及图10所示的关于紧固样品载台36的实施例，自己均可与根据图3至8的实施例组合。

由于定位装置48的紧凑的配置，通过可以附接至例如样品台32的护罩(图中未示出)，使得保护定位装置48和支撑在定位装置48上的物镜46一起不受气流损害是进一步可能的。

Claims (18)

1.一种用于显微镜的样品定位器，包括：

样品台(32)；

托架(34)，所述托架(34)布置在所述样品台(32)上；

样品载台(36)，所述样品载台(36)可连接至所述托架(34)，样品可附接至所述样品载台(36)；

物镜支架(54)，所述物镜支架(54)附接至所述样品台(32)，物镜(46)被支撑在所述物镜支架(54)上；

调节装置(44)，所述调节装置(44)接合在所述托架(34)上，所述调节装置(44)与所述样品载台(36)、与连接至所述样品载台(36)的托架(34)一起，在所述样品台(32)上相对于所述物镜(46)可移置至目标位置；和

分离装置，当通过所述物镜(46)对所述样品成像时，所述分离装置将布置在所述目标位置的所述样品载台(36)从所述托架(34)分离。

2.如权利要求1所述的样品定位器，其中，所述分离装置包括至少一个支撑元件(40，72)，所述至少一个支撑元件(40，72)为所述托架(34)的一部分，且当所述托架(34)移置时接合在所述样品载台(36)上，以及当通过所述物镜(46)对所述样品成像时与所述样品载台(36)断开相连。

3.如权利要求2所述的样品定位器，其中，所述支撑元件是横向毗连所述样品载台(36)和平行于所述样品台(32)可枢转的柄(40)。

4.如权利要求2所述的样品定位器，其中，所述支撑元件是横向毗连所述样品载台(36)和垂直于所述样品台(32)可移动的销(72)。

5.如权利要求4所述的样品定位器，其中，所述托架(34)包括布置在所述样品载台(36)上方的框架(70)，所述销(72)可移动地安装在所述框架(70)上。

6.如权利要求2至5中的任一项所述的样品定位器，其中，当通过所述物镜(46)对所述样品成像时，所述调节装置(44)移动所述托架(34)离开布置在所述目标位置的所述被分离的样品载台(36)。

7.一种用于显微镜的样品定位器，包括：

样品台(32)；

托架(34)，所述托架(34)布置在所述样品台(32)上；

样品载台(36)，所述样品载台(36)可连接至所述托架(34)，样品可附接至所述样品载台(36)；

物镜支架(54)，所述物镜支架(54)附接至所述样品台(32)，物镜(46)被支撑在所述物镜支架(54)上；

调节装置(44)，所述调节装置(44)接合在所述托架(34)上，所述调节装置(44)与所述样品载台(36)、与连接至所述样品载台(36)的托架(34)一起，在所述样品台(32)上相对于所述物镜(46)可移置至目标位置；和

压力装置，当通过所述物镜(46)对所述样品成像时，所述压力装置将与所述托架(34)连接且布置在目标位置的所述样品载台(36)按压朝向所述样品台(32)。

8.如权利要求7所述的样品定位器，其中，所述压力装置包括至少两个相互施加磁相互作用的元件(76)，其中一个布置在所述样品托架(36)上，另一个布置在所述样品台(32)上。

9.如前述权利要求中的任一项所述的样品定位器，其中，所述物镜支架(54)是用于将所述物镜(46)聚焦到所述样品上的定位装置(48)的一部分。

10.如前述权利要求中的任一项所述的样品定位器，其中，还包括导向装置(56，58)，所述导向装置(56，58)将所述物镜支架(54)在所述样品台(32)上可移动地引导，并且因而使得所述物镜支架(54)从所述物镜支架(54)将所述物镜(46)支撑在成像光束路径中的工作区域可移开。

11.如权利要求9或10所述的样品定位器，其中，所述定位装置(48)形成大体L形的布置，所述大体L形的布置包括附接至所述样品台(32)且平行于所述物镜(46)的光轴布置的第一分支(52)和可移动地安装在所述第一分支(52)上的第二分支(54)，所述物镜(46)附接至所述第二分支(54)。

12.如权利要求10或11所述的样品定位器，其中，所述导向装置包括配备在所述样品台(32)底侧的导向槽(56)和在所述槽中引导且与所述定位装置(48)的第一分支(52)连接的滑座(58)。

13.如权利要求12所述的样品定位器，其中，在所述样品台(32)底侧上配备有细长的凹槽(60)，当从所述工作区域移开所述物镜支架(54)时所述物镜(46)可在所述凹槽(60)中移动。

14.如权利要求9所述的样品定位器，其中，所述定位装置(48)形成围绕所述物镜(46)的光轴旋转地对称的布置，所述布置包括附接至所述样品台(32)且中心轴与所述物镜(46)的光轴重合的环状部分(64)和可移动地布置在所述环状部分(64)上的圆板(66)，所述物镜(46)同轴地附接至所述圆板(66)。

15.如权利要求9至14中的任一项所述的样品定位器，其中，所述定位装置(48)为压电驱动的装置。

16.如前述权利要求中的任一项所述的样品定位器，其中，还包括护罩，所述护罩环绕由所述物镜支架(54)和所述物镜(46)组成的布置。

17.一种显微镜，所述显微镜具有如前述权利要求中的任一项所述的样品定位器。

18.如权利要求17所述的显微镜，到返回参考权利要求10的程度，其中，还包括当所述物镜支架(54)被移开时可移动至所述工作区域的物镜转台。

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