CN1080415C - 分光测定方法与测定装置 - Google Patents
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Abstract
由半反射镜26将光源22的激励光分离成试样用光束20s与补正用光束20r,用聚敛透镜24、28把试样用光束20s汇聚在试样部4中的试样上。为了把来自试样的散射光会聚在分光器的入口缝50上而设置聚光透镜34、36,为了除去散射光中与激励光同波长成分并选择测定对象光而配置全息陷波器38,并设定其陷波范围含有激励光波长。测定对象光与补正用光束20r由半反射镜40引导到同一光轴上,经入口缝50入射在多色仪52上并同时予以检出,同时用检出的补正用光束20r的强度对测定对象光检出值加以补正。
Description
本发明系关于用单一波长的激励光照射在试样上,并通过检出试样所发出的荧光与喇曼散射光而进行试样的定性与定量分析的分光测定方法与使用该方法的装置。
被称为喇曼分光测定法的方法是光学分析法中的一种。在喇曼分光测定法中,是利用当把电磁波形式的放射能量照射在特定分子上时,保持光量子的分子中的少部分在放出所保持的光量子之后并未返回原先的振动能级而是利用落入与电子的基态不同的振动能级的现象。从而,从这些分子中所释放的能量为分子所固有的,通过检出此以电磁波形式放出的能量就能对特定的分子进行识别。
由喇曼散射所放出的光能有两种情况,即比所吸收能量低的能量状态(stokes喇曼散射)与比所吸能量高的能量状态(Anti-stokes喇曼散射)。由于激发态的电子数远低于基态电子数,故Anti-stokes喇曼散射强度是极弱的。因此,在识别特定分子的方法中,通常是用stokes喇曼散射来进行测定的。
众所公知,当把电磁波形态的辐射能照射在特定分子上时,该分子吸收其辐射能而被激励成电子激发状态,在返回基态时会发出荧光。由于荧光能敏锐地反映出分子激发态能量的转移、缓和、反应等,故一般利用分子动力学作为公知的手段。
本发明人在利用喇曼光谱对特定分子进行定性、定量方面进行了研究。
在试样所发出的光中,与激励光同波长的瑞利散射光的强度虽大,但偏离激励光波长的喇曼散射光与荧光的强度与瑞利散射光强度相比则极小。由于喇曼散射光和荧光的强度与引起试样中喇曼散射的成分及发生荧光成分的浓度成比例,在测定微量成分的生物体物质等时,其喇曼散射光与荧光就更加微弱了。
一般地,用激光装置作为喇曼分光测定的光源。从激光装置射出的激光的强度是随时间而变化的。由于喇曼散射光强度随激励光强度的变化而变化,若不用激励光强度对所检出的喇曼散射光强度进行补偿就不能实现正确的喇曼分光测定。
在进行荧光测定时也要相对于激励光强度进行补偿。在用氙灯作为荧光激励光源时,随着恒流电源精度的提高其光源强度随时间的变动变小,但在进行更高精度的测定时仍然需要对激励光强度进行补偿。此外,在把染料激光器用作荧光激励光源时,对激励光强度补偿也是不可少的。
为了补偿光源强度的变动,把激励光分为试样用光束与补偿用光束,用试样光束照射试样,并由试样产生的光检测出荧光和喇曼散射光。另外,用另外的光检测器检出补偿用光束,利用补偿用光束的检出值来补偿荧光与喇曼散射光的检出值,这是通用的方法。然而,在这种情况下,由于荧光与喇曼散射光的检出及补偿光束检出要用各自的光检出器,使得测定装置大型化,也提高了成本。
其它的补偿方法还有在检出喇曼散射光时用喇曼散射光检出器同时检出来自试样的瑞利散射光,并根据该瑞利散射光强度对喇曼散射光强度进行补正的方法。由于在这种场合下喇曼散射光与瑞利散射光是用同一检出器检测的,装置的结构虽然简单,对降低成本也有利,但由于瑞利散射光因试样而变化,故不能做到正确的喇曼分光测定。
本发明的目的是用简单的结构来实现依激励光强度的变化的补正。
本发明的分光测定方法是:把单一波长的激励光分成试样用光束与补正用光束;将试样用光束照射在试样上;在从因试样用光束照射而得到的来自试样的光中除去与激励光同波长成分之后,以荧光或喇曼散射光中至少一种作为测定对象光而有选择地接受光;把所接受的测定对象光与上述补正用光束同时导入一个分光器进行分光得到分光光谱;求出该分光光谱中指定波长的光谱强度或在适当波长范围中的积分值作为测定值;并以其分光光谱中激励光成分的检出强度作为基准对该测定值进行补正。
本发明的分光测定装置设有激励光源部,试样部,测定对象光学调整部,合波装置,一个分光处理部以及数据处理部;该激励光源部设有把激励光源及由该激励光源得到的单一波长光束分为试样用光束与补正用光束的光束分离器;试样部使试样受到上述试样用光束照射,测定对象光学调整部中设有从用试样光束照射试样而得到的来自试样的光中除去与激励光同波长成分并选择荧光与喇曼散射光中的至少一种作为测定对象光的滤波装置及调整光束的光学系统;合波装置使从上述测定对象光学调整部射出的光束与上述补正用光束处于同一光轴上;分光处理部中设有将从上述合波装置中射出的光束进行分光的分光器及检测出用该分光器分光的光谱光的检出器;数据处理部的功能是求出用上述分光处理部的检出器检出的分光光谱中指定波长的光谱强度或在适当波长范围内的积分值作为测定值,并以其分光光谱中的激励光成分的检出强度为基准对该测定值进行补正。
测定对象光学调整部的滤波装置最好为下列装置之一:使激励光波长包含在陷波范围的全息陷波滤波器,屏蔽激励光波长及其短波长侧的截止滤波器,具有透过激励光波长成分并加以去除而反射其它波长成分的特性的带通滤波器,以及利用通过或反射除去激励光波长的全息分束器。
例如,全息陷波滤波器是只屏蔽所希望的波长范围而允许其它范围的波长光通过。由于设定成在所屏蔽的范围(陷波范围)包含有激励光波长而加以使用,就使得从测定对象光学调整部射出的光束不含激励光成分,而只含有荧光及喇曼散射光。另一方面由于补正用光束只含有来自光源的激励光而不经过试样,故可以与试样无关地忠实地反映出光源的强度变化。
分光处理部设有多路光检出器,对于同时检测要测定的波长范围的多色仪来说能同时检出所要测定的波长范围,并能同时检测出规定范围的荧光光谱及喇曼散射光谱与激励光。其结果可使荧光及喇曼散射光的各波长检出时间与激励光检出时间之间不产生差异。而且,用单路光检出器作为光检出器,即便是用分光器进行波长扫描,也能在像傅里叶变换型分光装置那样地高速进行波长扫描的情况下,补偿光源的变化。
在本发明中,由于用激励光强度来补偿荧光及喇曼散射光的测定对象光测定值,故能容易地对低浓度成分的物质进行定量测定。于是,为了进行这种补偿而把激励光分成试样用光束与补正用光束,从用试样光束照射试样所产生的试样光中除去与激励光同波长成分而选择出测定对象光,把所选定的测定对象光与补正光束同时导入一个分光器进行分光而得到分光光谱,并以该分光光谱中激励光成分的检测强度为基准对测定对象光强度进行补正,故只用1个光检出器就可以,使测定对象光测定装置的空间缩小,而且能达到低成本。
图1是概略地表示本发明的方框图。
图2是表示使用全息陷波滤波器作为测定对象光学调整部的滤波装置,相对于试样与激励光成180°方向接收测定对象光的实施例的配置图。
图3是表示使用全息陷波滤波器作为测定对象光学调整部的滤波装置,相对于试样与激励光成90°方向地接受测定对象光的实施例的配置图。
图4A是表示用全息分束器作为测定对象光学调整部的滤波装置,相对于试样与激励光成180°方向接受测定对象光的实施例的配置图。
图4B是表示图4A中实施例的全息分束器部分的概略断面图。
图5A是表示用带通滤波器作为测定对象光学调整部的滤波装置,相对于试样与激励光成90°方向接受测定对象光的实施例的配置图。
图5B是表示图5A实施例的带通滤波器部分的概略断面图。
图6是表示用带通滤波器作为测定对象光学调整部的滤波装置,相对于试样与激励光成180°方向接受测定对象光的实施例的配置图。
图7是把本发明用于葡萄糖水溶液测定时表示喇曼散射光强度与葡萄糖浓度相互关系的一个例子,(A)是未利用光源强度进行补正的情况,(B)是已用光源强度进行补正的情况。
图8是把本发明用于过氧化氢水溶液测定时表示喇曼散射光强度与过氧化氢浓度相互关系的例子,(A)是未用光源强度进行补正的情况,(B)是已用光源强度进行补正的情况。
图9是本发明用于白朊水溶液测定时表示荧光光谱的面积积分值与白朊浓度相互关系的例子,(A)是未用光源强度进行补正的情况,(B)是已用光源强度进行补正的情况。
图10是本发明用于胆红素水溶液测定时表示荧光光谱积分面积积分值与胆红素浓度相互关系的例子,(A)是未用光源强度进行补正的情况,(B)是已用光源强度进行补正的情况。
图11是本发明用于白朊水溶液测定时表示荧光光谱强度与白朊浓度的相互关系的例子,(A)是未用光源强度进行补正的情况,(B)是已用光源强度进行补正的情况。
图12是本发明用于胆红素水溶液测定时表示荧光光谱强度与胆红素浓度的相互关系的例子,(A)是未用光源强度进行补正的情况,(B)是已进行补正的情况。
图1中概略地示出了本发明的测定装置。激励光源部2中设有激励光源及把来自激励光源的单一波长光束分成试样用光束与补正用光束的分束器。在试样部4中,将来自激磁光源部2的试样用光束照射在试样上,测定对象光学调整部6中设有从将试样用光束照射在试样上而得到的光中除去与激励光同波长的成分并选择荧光与喇曼散射光中的至少一种作为测定对象光的滤光装置,及调整光束的光学系统。合波装置10使从测定对象光学调整部6射出的光束与补正用光束处于同一光轴上。分光处理部12设有将从合波装置10射出的光束进行分光的分光器,以及检测出用该分光器分光的光谱光的检出器。数据处理部14具有从由分光处理部12中的检出器检出的分光光谱中求出指定波长的光谱强度或适当波长范围内的积分值并将其作为测定值的功能,以及以该分光光谱中激励光成分的检出强度为基准对其测定值进行补正的机能。
图2到图6详细地示出了图1中方框图的各实施例。
图2是表示用使激励光波长包含在陷波范围的全息陷波滤波器或屏蔽激励光波长及其短波长侧的截止滤波器作为测定对象光学调整部6的滤波装置,相对于试样与激励光成180°方向接受荧光或喇曼散射光的实施例。
光源22设在激励光源部2中,还配置半反射镜26作为把来自光源22的激励光分为试样用光束20s和补正用光束20r的分束器。光源22可采用激光装置,氙灯、卤素灯等。激光装置可采用连续起振的Ar离子激光、Kr离子激光、He-Ne激光或He-Cd激光等、Nd:YAG激光等的脉冲激光等,可选择使用从近紫外区到近红外区的广阔波长范围中的激光。由于氙灯与卤素灯能产生多种波长的光,故与分光器组合起来使用。
为了把试样用光束20S聚敛在试样部4中的试样5上在激励光源部2中把半反射镜26配置在光源聚光透镜24与聚敛透镜28之间。
试样5设置在试样部4中,若试样5为液体试样就装在容器中,若试样5为生物体试样等固体则不用容器直接设置。
来自激励光源部2的试样用光束20s经设置在测定对象光学调整部6中的半反射镜32反射而照射在试样部4的试样5上。在测定对象光学调整部6中,为了把能透过半反射镜32的来自试样5的荧光与喇曼散射光作为测定对象光聚敛在分光器的入口狭缝50上而设置聚光透镜34、36,由于从试样5入射到测定对象光学调整部6的光中除了含有测定对象光之外还包含瑞利散射光,故在测定对象光学调整部6中在聚光镜34、36之间设置全息陷波滤波器38,它被设定为其陷波范围中含有激励光波长以作为除去与激励光相同的波长成分而选择测定对象光的滤波器。全息陷波滤波器可从例如KAISER OPTICALSYSTEMS.INC(美国)公司获得。全息陷波滤波器38具有完全屏蔽陷波范围中所含的波长光,而使陷波范围以外波长范围中的光80%以上通过的特性。
作为合波装置的半反射镜40配置在测定对象光学调整部6的聚光透镜36与分光器入口狭缝50之间,测定对象光透过该半反射镜40入射到分光器52中。
为了把在激励光源部2中由半反射镜26分离出来的补正用光束20r导入到合波装置的半反射镜40中,设置了补正光学调整部8。补正光学调整部8中设有衰减光量的减光滤波器42,屏蔽在激励光源部2的半反射镜26上所产生波长光,当光源22为激光装置时用以屏蔽其激光的边带的带通滤波器46、及弯折光路用的反射镜44。通过补正光学调整部8经半反射镜40而导向入口狭缝50的补正用光束20r借助光源聚光透镜24而会聚到入口缝50上。
为了屏蔽从试样用光束20s与补正用光束20r双方来的激光边带,最好在光源22与半反射镜26间的光路上设置带通滤波器46。
借助于半反射镜40把从测定对象光学调整部6射出的测定对象光与从补正光学调整部8引入的补正用光束20r置于同一光轴上,并经入口缝50导入分光处理部12的分光器52。分光器52为多色仪,其中设有对入射光进行分光的衍射栅板54,以及为了在指定的波长范围的整个领域上同时检出由衍射栅板54分离出的光谱光而沿衍射栅板54的分散方向设置多个光检出元件的多路光检出器56。
60是控制各部分动作、处理光检出器56检出的信号的处理运算控制部,它具有以光检出器56所检出的分光光谱中激励光成分的检出强度为基准对测定对象光的检出强度进行补正的数据处理部的功能,对于要进行光源变动补正的测定对象光光谱进行演算,由测定对象光强度作试样的定性与定量分析。62是输出在处理运算控制部60中所处理数据的打印或显示等输出装置。
在图2的实施例中,取代全息陷波滤波器38可以用屏蔽激励光波长及其短波长侧的具有锐截止波长特性的锐截止滤波器。
图3也和图2中实施例同样地是用全息陷波滤波器或截止滤波器作为测定对象光学调整部6的滤波装置的实施例,但所示出的实施例是相对于试样与激励光成90°方向接受测定对象光的。在此情形下,用光束20s照射到试样5上,不需要把来自试样5的散射光入射到测定对象光学调整部6的聚光透镜34上的半反射镜32。试样用光束由激励光源部2的聚光透镜24与聚敛透镜28汇聚而直接照射在试样5上,来自试样5的散射光直接入射在测定对象光学调整部6的聚光透镜34上。
带通滤波器46,在图2中虽是配置在补正光学调整部的光路上,但在图3中它是配置在把激励光源部中来自激励光源的光束用分束器26分离为试样用光束和补正用光束之前的光路上。由于带通滤波器46是配置在图3中的位置上的,故能屏蔽试样用光束与补正用光束双方的激光边带。
此外,在图3中,还在补正光学调整部的光路上设置聚光透镜45,此透镜45是把补正用光束聚集在狭缝50位置上的光量调整用透镜。在补正用光束的光量足够强时也可以不用此透镜45。
图4A是用具有反射激励光并透过荧光与喇曼光的特性的全息分束器70作为测定对象光学调整部6的滤波装置,示出了相对于试样在与激励光成180°方向上接受测定对象光的实施例。
全息分束器70,如图4B中所示,反射试样用光束20s使之照射在试样5上,只允许含有测定对象光与瑞利散射光的来自试样5的光72中的测定对象光74通过并入射到测定对象光学调整部6的聚光透镜34上。
图5A示出了用具有透过激励光波长成分加以去除,反射测定对象光成分的特性的带通滤波器82作为测定对象光学调整部6的滤波装置的实施例。在此场合下,是相对于试样与激励光成90°方向接受测定对象光。
带通滤波器82,如图5B所示,是配置在透过聚光型镜80的镜面一侧的,而在其相对的一侧上配置止束光阑84。含有测定对象光与瑞利散射光的来自试样5的光72由聚光透镜34a、34b聚光并从透过聚光型镜80的背面通过该入射孔而射入到带通滤波器82中。在带通滤波器82上,瑞利光76通过并由止束光阑84吸收,测定对象光74被反射,由透过聚光型镜80的镜面聚光,经半反射镜40而从入口缝50射入到分光器上。为了在补正光学调整部8中使光路成180°弯折而配置两面镜44a、44b。
图6虽是与图5同样地用具有透过激励光波长成分加以去除,并反射测定对象光成分的特性的带通滤波器82作为测定对象光学调整部6中的滤波装置,但它是相对于试样与激励光成180°方向接受测定对象光的,其中还设置使试样用光束20s照射在试样5上,并使来自试样5上的光入射到测定对象光学调整部的聚光透镜34a上的半反射镜32。
接受来自试样的测定对象光的方向并不限于实施例中所示的90°与180°两个方向,可以为其它任意角度。
下面,说明使用图2中的装置测定对象光的例子。分光处理部12的衍射栅板54用槽数为150条/mm,分辨率为5cm-1的凹面衍射栅板,光检出器56则用CCD光学检测元件。
图7与图8是测定喇曼散射光的例子,用Ar离子激光作为光源22。
图7是用各种葡萄糖浓度试样由激励光波长514.5nm测定在喇曼偏移波数2918cm-1附近的喇曼散射光峰值的峰值强度I2918的例子。(A)为未进行光源强度变化补正的实测强度I2918,(B)是借助补正用光束强度值I514进行光源强度变化补正的补正结果值S。补正结果值S是就各种浓度下的测定值用下式算出的:
S=(喇曼散射光强度值I2918)/补正用光束强度值I514葡萄糖浓度是把作成的葡萄糖水溶液试样用自动葡萄糖测定装置GA-1120(株式会社京都第一科学的产品)测定的。
从图7的结果可知,与用光源强度补正前的葡萄糖实测强度与葡萄糖浓度的相关系数R为0.9646的情况相比,用光源强度进行补正后的补正结果值S与葡萄糖浓度的相关系数R变为0.9963,得到了改善。由于借助于光源强度进行补正,可以看出以此相关关系的结果作为校准线而从喇曼散射光强度对葡萄糖浓度作定量分析时的精度提高了。
其中,相关系数R是由下式算出的。
n:测定试样数
Xi:测定试样的各点的浓度
Yi:Xi点的测定光强度
Z:测定试样各点浓度的平均值
Y:测定光强度的平均值
图8是过氧化氢水溶液试样的测定例。在此过氧化氢的情况,是测定来自激励光波长514.5nm的存在在喇曼偏移波数878cm-1附近的喇曼散射峰值的峰值强度。在此情况下,与未用光源强度进行补正时的峰值强度与过氧化氢浓度的相关系数R为0.9697相比,进行了光源强度补正的补正结果值S的相关系数R为0.9998,得到了改善。
在上例中,虽然是测定喇曼散射峰值的峰值强度而进行定量分析的,但也可以不用峰值强度,对于求出积分值的峰值面积进行定量分析的情况也是完全同样适用的。
图9至12是测定荧光的例子,使用He-Ne激光作为光源22。
图9是从激励光波长632.8nm对各种白朊浓度试样测定偏移波数416.5cm-1~1434.7cm-1范围的荧光光谱的面积积分值的例子。(A)为未用光源强度变化进行补正的实测强度I,(B)为用补正用光束强度值I632进行了光源强度变化的补正的补正结果值S。补正结果值S是以各自浓度的测定值由下式算出的。
从图9的结果可知,用光源强度补正前的荧光面积积分值I与白朊浓度的相关系数R为0.9693的情况相比,用光源强度进行补正后补正结果值S与白朊浓度的相关系数R变成了0.9949,使之得到改善。由于用光源强度进行补正,可知在以此相关关系的结果为校准线而由荧光面积积分值对白朊浓度作定量分析时其精度提高。
图10是对各种二水杨酰胺胆红素(ジタゥロビリルビン)(胆红素)浓度的试样由激励光波长632.8nm测定偏移波数416.5cm-1~1434.7cm-1范围的荧光光谱的面积积分值的例子,(A)是未用光源强度变化进行补正的实测强度I,(B)是用补正用光束强度值I632进行光源强度变化补正后的补正结果值S。
从图10的结果可见,和用光源强度补正前的荧光面积积分值I与胆红素浓度的相关系数R为0.9725相比,用光源强度进行补正后的补正结果值S与胆红素浓度的相关系数R变为0.9985,得到了改善,由于用光源强度进行补正,可知若以此相关关系结果为校准线,在从荧光面积积分值来对胆红素浓度进行定量时其精度提高了。
图11是用各种白朊浓度的试样由激励光波长632.8nm测定偏移波数805cm-1的最大荧光强度I的例子。(A)为未用光源强度变化进行补正的实测强度I,(B)是用补正用光束强度值I632进行光源强度变化补正后的补正结果值S。补正结果值S也是以各种浓度下的测定值由下式算出的。
从图11的结果可知,和用光源强度补正前的荧光面积积分值I与白朊浓度的相关系数R为0.9482相比,用光源强度补正后的补正结果值S与白朊浓度的相关系数R变为0.9881,有所改善。由于用光源强度进行补正,可知若以此相关关系结果为校准线,在由荧光面积积分值对白朊浓度进行定量时,其精度提高了。
图12是对各种胆红素浓度的试样由激励光波长632.8nm测定偏移波数为1308cm-1的最大荧光强度I的例子。(A)为未用光源强度变化进行补正的实测强度I、(B)为用补正光束强度值I632进行光源强度变化补正后的补正结果值S。
从图12的结果可见,和用光源强度补正前的荧光面积积分值I与胆红素浓度的相关系数R为0.8400相比,用光源强度补正后的补正结果值S与胆红素浓度的相关系数R得到了改善,变为0.9932。由于用光源强度进行补正,可知若以此相关关系的结果作为校准线,在由荧光面积积分值进行胆红素浓度定量分析时的精度提高了。
Claims (10)
1.一种分光测定方法,包括以下步骤:把单一波长的激励光分成试样用光束与补正用光束;将试样用光束照射在试样上;和在从通过试样用光束照射得到的来自试样的光中除去与激励光同波长成分之后,以荧光或喇曼散射光中至少一种作为测定对象而有选择地受光,
其特征在于,
将所接受的测定对象光与上述补正用光束同时导入一个分光器进行分光得到分光光谱;
由该分光光谱求出指定波长的光谱强度或在适当波长范围内的积分值作为测定值;
以其分光光谱中激励光成分的检出强度作为基准对该测定值进行补正。
2.一种分光测定装置,包括:一个激励光源部,它设有把激励光源及从激励光源得到的单一波长光束分离成试样用光束与补正用光束的分束器;一个试样部,用于使上述试样用光束照射在试样上;和一个测定对象光学调整部,它设有在从试样用光束照射试样得到的来自试样的光中除去与激励光同波长的成分并选择荧光与喇曼散射光中至少一种作为测定对象光的滤波装置及调整光束的光学系统,
其特征在于,所述装置包括:
一个合波装置,它使从上述测定对象光学调整部射出的光束与上述补正用光束处于同一光轴上;
一个分光处理部,它设有将从上述合波装置射出的光束进行分光的分光器,及检出用该分光器分光的光谱光的检出器;和
一个数据处理部,其功能是从用上述分光处理部的检出器检出的分光光谱中求出指定波长的光谱强度或在适当波长范围内的积分值作为测定值,并以其分光光谱中的激励光成分的检出强度为基准对该测定值进行补正。
3.如权利要求2所述的分光测定装置,其特征在于,所述光源为一个激光装置。
4.如权利要求2所述的分光测定装置,其特征在于,所述光源是灯与分光器组合而成的。
5.如权利要求2所述的分光测定装置,其特征在于,所述测定对象光学调整部中的滤波装置是其陷波范围中包含激励光波长的全息陷波滤波器。
6.如权利要求2所述的分光测定装置,其特征在于,所述测定对象光学调整部的滤波装置为屏蔽激励光波长及其短波长侧的截止滤波器。
7.如权利要求2所述的分光测定装置,其特征在于,所述测定对象光学调整部的滤波装置为具有可透过激励光波长成分加以去除,并反射其它波长成分的特性的带通滤波器。
8.如权利要求2所述的分光测定装置,其特征在于,所述测定对象光学调整部的滤波装置为通过透过或反射除去激励光波长的全息分束器。
9.如权利要求2所述的分光测定装置,其特征在于,所述分光处理部中设有多路光检出器,是可同时检测所要测定的波长范围的多色仪。
10.如权利要求2所述的分光测定装置,其特征在于,所述分光处理部是傅里叶变换型分光装置。
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