CN108181673A - 超分辨光学显微镜成像载玻片和具有其的光学显微镜 - Google Patents

超分辨光学显微镜成像载玻片和具有其的光学显微镜 Download PDF

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孙倜
陈海洋
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Abstract

本发明公开了一种超分辨光学显微镜成像载玻片和具有其的光学显微镜,其中基于表面等离子体共振腔的超分辨光学显微镜成像载玻片包括:基底层;金属光栅层,所述金属光栅层设在所述基底层上;光刻胶层,所述光刻胶层设在所述金属光栅层上;以及金属薄膜层,所述金属薄膜层设在所述光刻胶层上,所述金属薄膜层、所述光刻胶层和所述金属光栅层一起构成表面等离子体的共振腔结构。根据本发明实施例的基于表面等离子体共振腔的超分辨光学显微镜成像载玻片,共振腔中表面等离子体波(SPWs)具有比相同频率的直接照明光或者传统等离子体结构光照明显微镜(PSIM)中的SPWs更大的波矢。

Description

超分辨光学显微镜成像载玻片和具有其的光学显微镜
技术领域
本发明涉及光学元件技术领域,更具体地,涉及一种基于表面等离子体共振腔的超分辨光学显微镜成像载玻片和具有其的光学显微镜。
背景技术
生物研究和许多其他科学研究中需要高分辨率的光学显微镜。然而,光学显微镜的分辨率受光学衍射极限的限制,这意味着距离小于衍射极限的两物体不能被分辨。为了提高光学显微镜的分辨率,前人做了大量的努力,并提出了许多新的成像技术,如受激辐射衰减显微镜,光激活定位显微镜和近场扫描光学显微镜。与上述超分辨率方法相比,结构光照明显微镜(SIM)不需要复杂、体积庞大且价格昂贵的装置,具有较大的视场,并且可以实现高速成像。SIM的分辨率主要由与入射波长相关的照明空间结构光的空间频率(周期)决定。为了获得更高的分辨率,需要照明空间光具有较小的结构周期,即较短的照明波长。表面等离子体极化激元(SPPs)是在金属/介质界面由金属自由电子的集体振荡产生的电磁波,近年来备受关注。在相同的频率下,SPPs的波矢明显大于自由空间光的波矢。由于这种独特的性质,SPPs被广泛应用于亚波长尺度的纳米光子学研究,如超分辨率光刻,超透镜成像和远场超透镜成像。近年,驻波-表面等离子体共振荧光显微镜(SW-SPRF)和等离子体结构光照明显微镜(PSIM)技术被提出,极大地提高了光学显微镜的分辨率。PSIM 由Ag光栅和玻璃基底组成,与传统的荧光显微镜相比,使用表面等离子体激元作为照明光源的PSIM结构将分辨率提高了2.6倍。PSIM的分辨率由金属光栅的材料(如银)确定,分辨率的进一步提高将受到限制。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。
为此,本发明的一个目的在于提出一种结构简单、分辨率高的基于表面等离子体共振腔的超分辨光学显微镜成像载玻片。
本发明的另一个目的在于提出一种具有上述超分辨光学显微镜成像载玻片的光学显微镜。
根据本发明第一方面实施例的超分辨光学显微镜成像载玻片,包括:基底层;金属光栅层,所述金属光栅层设在所述基底层上;光刻胶层,所述光刻胶层设在所述金属光栅层上;以及金属薄膜层,所述金属薄膜层设在所述光刻胶层上,所述金属薄膜层、所述光刻胶层和所述金属光栅层一起构成表面等离子体的共振腔结构。
根据本发明实施例的基于表面等离子体共振腔的超分辨光学显微镜成像载玻片,通过金属薄膜层、光刻胶层和金属光栅层一起构成表面等离子体的共振腔结构(SPRC),并利用SPRC作为载玻片的超分辨率光学显微成像技术,并进行了数值模拟。通过引入SPRC 结构,可以产生波矢比相同频率的直接照明光或者PSIM结构中的表面等离子体波(SPWs) 更大的表面等离子体波(SPWs),打破了传统的SPWs波矢由材料决定的极限。
另外,根据本发明实施例的基于表面等离子体共振腔的超分辨光学显微镜成像载玻片,还可以具有如下附加的技术特征:
根据本发明的一个实施例,所述基底层为SiO2
根据本发明的一个实施例,所述金属光栅层为Ag光栅。
根据本发明的一个实施例,所述光刻胶层为Al2O3层。
根据本发明的一个实施例,所述金属薄膜层为Ag薄膜。
根据本发明的一个实施例,所述金属光栅层的周期不超过1000nm,厚度不超过150nm。
根据本发明的一个实施例,所述金属光栅层的狭缝宽度不超过50nm。
根据本发明的一个实施例,所述金属薄膜层的厚度不超过30nm。
根据本发明的一个实施例,所述光刻胶层的厚度不超过200nm。
根据本发明第二方面实施例的光学显微镜,包括:根据上述实施例所述的基于表面等离子体共振腔的超分辨光学显微镜成像载玻片。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解,其中:
图1是根据本发明实施例的超分辨光学显微镜成像载玻片的结构示意图;
图2是根据本发明实施例的超分辨光学显微镜成像载玻片的剖面图;
图3是传统的PSIM结构示意图;
图4(a)至4(h)分别是根据本发明实施例的超分辨光学显微镜成像载玻片在平面Y=0处,腔长为170nm、140nm、43nm、26nm、18nm、15nm、12nm和0nm的SPRC结构中电场(x分量)分布;
图4(i)是传统的PSIM结构中电场(x分量)分布;
图5(a)至5(f)分别是根据本发明实施例的超分辨光学显微镜成像载玻片在平面Y= 0处,腔壁(上层银厚度)为3nm、6nm、7nm、9nm、12nm和20nm的SPRC结构中电场 (x分量)分布;
图6(a)是根据本发明实施例的超分辨光学显微镜成像载玻片在腔长为18nm时,SPRC 结构中SPWs的波矢与腔壁厚度的关系,图中箭头指示银的截止厚度;
图6(b)是根据本发明实施例的超分辨光学显微镜成像载玻片在腔壁厚度为20nm时, SPRC结构中SPWs的波矢与腔长的关系;
图6(c)是根据本发明实施例的超分辨光学显微镜成像载玻片中干涉条纹周期与腔壁厚度及腔长的关系;
图7(a)至7(c)是根据本发明实施例的超分辨光学显微镜成像载玻片在入射角分别为0°,9°,16.5°时的照明图样相位;
图8(a)为传统高数值孔径荧光显微镜(NA=1.42)的点扩散函数;
图8(b)为传统PSIM的点扩散函数;
图8(c)为根据本发明实施例的超分辨光学显微镜成像载玻片的SPRC显微镜的点扩散函数;
图9(a)是传统高数值孔径荧光显微镜(NA=1.42)对随机摆放的FD成像效果;
图9(b)是传统PSIM对随机摆放的FD成像效果;
图9(c)是根据本发明实施例的超分辨光学显微镜成像载玻片的SPRC显微镜对随机摆放的FD成像效果;
图9(d)至9(f)分别是图9(a)至图9(c)中点A的截面分布。
附图标记:
基于表面等离子体共振腔的超分辨光学显微镜成像载玻片100;
基底层 10;
金属光栅层 20;
光刻胶层 30;
金属薄膜层 40;
生物样品 200;
传统的PSIM结构 300。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例,所述实施例的示例在附图中示出,其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的,旨在用于解释本发明,而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面首先结合附图具体描述根据本发明实施例的基于表面等离子体共振腔的超分辨光学显微镜成像载玻片100。
如图1所示,根据本发明实施例的基于表面等离子体共振腔的超分辨光学显微镜成像载玻片100包括基底层10、金属光栅层20、光刻胶层30和金属薄膜层40。
具体而言,金属光栅层20设在基底层10上,光刻胶层30设在金属光栅层20上,金属薄膜层40设在光刻胶层30上,金属薄膜层40、光刻胶层30和金属光栅层20一起构成表面等离子体的共振腔结构。
由此,根据本发明实施例的基于表面等离子体共振腔的超分辨光学显微镜成像载玻片 100,通过金属薄膜层40、光刻胶层30和金属光栅层20一起构成表面等离子体的共振腔结构(SPRC),并利用SPRC作为载玻片的超分辨率光学显微成像技术,并进行了数值模拟。通过引入SPRC结构,可以产生波矢比相同频率的直接照明光或者等离子体结构光照明显微镜(PSIM)结构中的表面等离子体波(SPWs)更大的表面等离子体波(SPWs),打破了传统的SPWs波矢由材料决定的极限。
根据本发明的一个实施例,基底层10可为SiO2
在本发明的一些具体实施方式中,金属光栅层20可为Ag光栅。
根据本发明的一个实施例,光刻胶层30可Al2O3层。
根据本发明的一个实施例,金属薄膜层40可为Ag层。
在本发明的一些具体实施方式中,金属光栅层20的周期不超过1000nm,厚度不超过 150nm。
根据本发明的一个实施例,光栅的狭缝宽度不超过50nm。
根据本发明又一个实施例,最上层Ag膜的厚度不超过30nm。
在本发明的一些具体实施方式中,光刻胶层30的厚度不超过200nm。
下面参照附图并结合具体实施例描述根据本发明的基于表面等离子体共振腔的超分辨光学显微镜成像载玻片100。
如图1和图2所示,表面等离子体共振腔(SPRC)主要由基底层10、金属光栅层20、光刻胶层30和金属薄膜层40组成,其中基底层10为SiO2衬底层,金属光栅层20为Ag 光栅,光刻胶层30为Al2O3层,金属薄膜层40为Ag薄膜。待检测生物样品200位于表面等离子体共振腔载玻片上。
具体地,SPRC主要由沉积在SiO2衬底上厚度为d2的Ag光栅、厚度为d3的Al2O3层及最上层厚度为d4的Ag薄膜组成。如图1和图2所示,在进行数值模拟时,将照明光(波长为λ0=523nm)以p光形式从SPRC底部入射。
如图3所示,传统的PSIM结构主要由SiO2基底、Ag光栅组成,在观察检测过程中,将样品直接放置在金属Ag光栅上。
根据本发明实施例的基于表面等离子体共振腔的光学显微镜成像载玻片100在数值模拟过程中,使用FDTD软件(Lumerical of Canada)对SPRC结构进行数值模拟,在计算中, SiO2和Al2O3的折射率分别为1.50和1.77,Ag的介电常数为-11.75+0.37i,Ag光栅的周期和厚度分别为840nm(T)、100nm(d2),光栅的狭缝宽度为30nm(w),最上层Ag薄膜的厚度为20nm(d4)。其中,腔体Al2O3层(d3)的厚度及腔壁厚度(Ag薄膜厚度d4)可以调节,并假定处于水环境(H2O)的生物样品200位于SPRC结构最上层。
图4(a)至图4(h)中示出了在腔壁厚度(Ag薄膜厚度d4)为20nm时,不同腔长 (d3)的SPRC结构中电场(x分量)在平面Y=0上的分布,作为比较,图4(i)示出了传统PSIM结构中电场(x分量)的分布。在图4(a),4(b),4(c),4(d),4(e),4 (f),4(g)和4(h)中,腔体(Al2O3)的厚度分别为170nm,140nm,43nm,26nm, 18nm,15nm,12nm和0nm。图4(a)至4(g)中由上到下三条虚线分别表示上层Ag薄膜的上下表面及下层Ag光栅的上表面,图4(h)、4(i)中虚线表示Ag光栅的上表面。而图4(i)是传统的PSIM结构的电场分布,其中光栅的周期和光栅狭缝宽度与SPRC结构中相同(周期为840nm,狭缝宽度为30nm)。从图4(a)可以看出,当腔长较大时,会产生条纹数量最少的表面等离子体波(SPWs)干涉图样(5个条纹),这与传统的PSIM结构(图4(i))类似。这可以解释为,当腔长很大时,腔体效应非常弱,SPWs干涉图样基本上由传统PSIM结构的底部银光栅支配。当腔长减小到140nm左右时,如图4(b)所示,腔体效应出现,其中干涉条纹发生明显变化(出现7个条纹)。如图4(c),4(d),4(e), 4(f)和4(g)所示,腔长分别减小到43nm,26nm,18nm,15nm和12nm,可以看出干涉条纹的数量从图4(c)中的11增加到图4(d)中的13,从图4(e)中的15增加到图4 (f)中的17,从图4(f)中的15增加到图4(g)中的19,相应的条纹周期为84nm,70nm, 60nm,52nm,47nm。当腔长减小为零时(d3=0),即去除Al2O3层,干涉条纹的数量减少至5(图4(h)),与传统PSIM结构中电场分布基本相同(图4(i))。
需要说明的是,图4(a)至4(h)中观察到的SPWs干涉图样的物理起源来自在Ag 光栅和Al2O3层界面处产生的表面等离子体波,且该表面等离子波受到腔壁(Ag薄膜)的调制。两个表面等离子体波沿着Ag光栅/Al2O3的界面相向传播并相互干涉,从而可以产生表面等离子体波干涉图样。从干涉图样中可以得到SPWs的对应波长λSPWs=2Ppattern,其中λSPWs是SPWs的波长,Ppattern是干涉条纹的周期。由图4(a)至4(h)可知,干涉条纹的周期在腔体长度分别为43nm,26nm,18nm,15nm,12nm时,SPWs对应的波长为168nm, 140nm,120nm,104nm和94nm。当腔长为12nm时,SPWs波长仅为直接照射波长532nm 的0.18倍,是传统PSIM中SPWs波长(约370nm)的0.25倍。
SPWs干涉条纹的周期也可以通过改变最上层Ag薄膜的厚度(d4)来调整。具体地,图5示出了当腔长为18nm时,腔壁(Ag薄膜)厚度改变时SPRC结构中的电场(x分量) 分布,其他参数设置与图4相同。图5(a)至5(f)中由上到下三条实线分别表示上层 Ag薄膜的上下表面及下层Ag光栅的上表面。其中腔长为18nm,其它参数设置均与图4 (a)至4(h)中相同。如图5(a)所示,当银膜厚度小于3nm时,SPRC结构中不会产生稳定的干涉图样。如图5(b),(c),(d)和(e)所示,当银膜厚度逐渐增加为6nm,7nm, 9nm和12nm时,干涉条纹数目由图5(b)中的23减小为图5(c)中的21,由图5(c) 中的21减小为图5(d)中的19,由图5(d)中的19减小为图5(e)中的17。如预期的那样,当银膜的厚度增加到20nm(图5(f))时,干涉图案的数量减少到15,与图4(e) 相同。在图5(b)至(f)中,干涉条纹相应周期分别为38nm,42nm,47nm,53nm和60nm。 SPRC结构中的SPWs的典型波长只有在腔体长度为18nm、上层银厚度为7nm时才为84nm,如图5(c)所示。此时,SPWs的波长仅为入射波长532nm的0.16倍,是传统PSIM波长的0.22倍。通过对腔体长度和腔壁厚度优化,可以使得SPRC结构中SPWs波长大大缩短,为实现超分辨率光学显微镜提供了坚实的基础。
SPRC结构中干涉条纹数目随着腔长及腔壁厚度的变化而变化,可以通过系统的色散关系方程给出理论解释。如图2所示,SPRC可以看作是一个玻璃基底上的四层系统。在横磁 (TM)模式照明下,电磁场在Ⅱ(0<z<d2)和Ⅴ(z>d2+d3+d4)区域中表达式为:
其中,m=2,5。在区域Ⅲ(d2<z<d2+d3)Ⅳ(d2+d3<z<d2+d3+d4)中,电磁场为:
其中,m=3,4。
结合电磁场在银光栅/Al2O3/银薄膜界面处边界条件,SPRC系统的色散关系容易得到:
关于干涉条纹周期(SPWs的波矢)与腔长的关系如方程(7)和(8)所示。此时,腔壁(Ag薄膜)厚度为20nm时,干涉条纹周期随腔体厚度变化而变化,图6(a)示出了腔长为18nm时,SPRC结构中SPWs的波矢(干涉条纹周期)与腔壁厚度的关系,图中箭头指示银的截止厚度,图6(b)示出了腔壁厚度为20nm时,SPRC结构中SPWs的波矢(干涉条纹周期)与腔长的关系。如图6(a)所示,解析结果与数值结果吻合良好。同样,图6 (b)是腔长为18nm时,改变腔壁(Ag薄膜)厚度的结果。在图6(a)和6(b)中,实线和虚线分别表示由方程(7)得到的波矢、周期,方形点表示波矢的FDTD数值模拟结果,圆形点表示周期的FDTD数值模拟结果。值得注意的是,当d4厚度足够小时,方程(7) 没有解,也就是说,SPRC结构中没有导波模式(图6(a))。如图6(a)所示,在腔长为18nm时,d4的截止厚度为4.546nm。进一步,通过方程(7),我们得到了条纹周期与腔长d3及Ag薄膜d4厚度之间的关系,如图6(c),通过减小腔体长度或者腔壁(上层 Ag薄膜)厚度可以获得条纹周期较小的干涉图样。
根据本发明实施例的基于表面等离子体共振腔的超分辨光学显微镜成像载玻片100,为了获得超分辨率图像,需要不同相位的照明图样。照明图样的相位可以通过改变入射角来改变。图7(a)至7(c)中示出了当腔长d3为18nm、上层Ag厚度d4为7nm时照明图样的相位与入射角之间的关系,其中图7(a)至7(c)中箭头指示中心条纹位置,如图7 (a),7(b),7(c)所示,入射角分别为0°,9°,16.5°,并且相应的相位为0,
根据本发明实施例的SPRC(腔长18nm,上银厚度7nm,条纹周期42nm)结构可应用于表面等离子激元结构光照明模式下的超分辨率光学显微成像,与常规的高数值孔径荧光显微镜相比,SPRC结构光照明显微镜具有优异的分辨能力。为了表征其分辨率提高的能力,以位于顶部Ag层上的发射峰值波长为600nm的荧光点(FD)作为识别目标,使用数值孔径(NA)为1.42的油浸物镜对FD进行成像。由SPRC产生的干涉图样充当照射FD 的结构光,最终通过远处的电荷耦合器件(CCD)相机捕获图像。计算上述情形下的系统的点扩散函数(PSF)来表征传统荧光显微镜,PSIM和SPRC显微镜的分辨细微物体能力,结果如图8所示。这里,计算PSIM和SPRC显微镜的PSF时,假定在x和y方向都存在干涉图样。
需要说明的是,PSF中的旁瓣可以用一些特殊的数值算法来消除,图9为消除旁瓣后对随机放置的FD(FD位于A、B、C、D、E、F、G、H、I点处)成像的仿真结果,其中 BC=30nm,CE=256nm,BD=170nm,FG=90nm,HI=250nm。图9(a)为传统荧光显微镜(NA=1.42)的成像效果,图9(b)为传统PSIM的成像效果,图9(c)为当腔长为18nm且上层银厚度为7nm时,使用SPRC显微镜得到的超分辨率图像。容易发现,在图9(a)中点H和点I恰好可以区分,在图9(b)中点F和G恰好可以区分,图9(c) 中所有点均可以区分。图9(d,e,f)显示了图9(a,b,c)的PSF曲线,可以看出,常规荧光显微镜的半高全宽(FWHM)为218nm,PISM的FWHM为87nm,SPRC显微镜的 FWHM仅为21nm。也就是说,SPRC显微镜的成像分辨率相较于传统的高数值孔径荧光显微镜或传统的表面等离子体激发显微镜分别提高了8.4倍和4.1倍。
总而言之,根据本发明实施例的基于表面等离子体共振腔的超分辨光学显微镜成像载玻片100,并通过一种基于表面等离子体共振腔(SPRC)的新型超分辨率光学显微镜成像技术,在532nm光波的入射下,数值计算结果显示成像分辨率为21nm(腔长长度d3为18nm,上层Ag薄膜d4厚度为7nm),相较于传统的高数值孔径荧光显微镜或传统的表面等离子激元激发显微镜分辨率分别提高了8.3倍和4.1倍。此外,SPRC结构中的SPWs波长及显微镜的分辨率可以通过改变腔长和腔壁(上层Ag薄膜)的厚度来调节。通过分析SPRC系统的色散关系,证实了提高分辨率的物理起源以及所提出的方法的可调性。
根据本发明第二方面实施例的光学显微镜包括根据上述实施例的超分辨光学显微镜成像载玻片100,由于根据本发明实施例的超分辨光学显微镜成像载玻片100具有上述技术效果,因此,根据本发明实施例的光学显微镜也具有相应的技术效果,即能够有效的提高成像分辨率。
根据本发明实施例的光学显微镜的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的,这里不再详细描述。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例,可以理解的是,上述实施例是示例性的,不能理解为对本发明的限制,本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种超分辨光学显微镜成像载玻片,其特征在于,包括:
基底层;
金属光栅层,所述金属光栅层设在所述基底层上;
光刻胶层,所述光刻胶层设在所述金属光栅层上;以及
金属薄膜层,所述金属薄膜层设在所述光刻胶层上,所述金属薄膜层、所述光刻胶层和所述金属光栅层一起构成表面等离子体的共振腔结构。
2.根据权利要求1所述的超分辨光学显微镜成像载玻片,其特征在于,所述基底层为SiO2
3.根据权利要求2所述的超分辨光学显微镜成像载玻片,其特征在于,所述金属光栅层为Ag光栅。
4.根据权利要求3所述的超分辨光学显微镜成像载玻片,其特征在于,所述光刻胶层为Al2O3层。
5.根据权利要求4所述的超分辨光学显微镜成像载玻片,其特征在于,所述金属薄膜层为Ag薄膜。
6.根据权利要求1所述的超分辨光学显微镜成像载玻片,其特征在于,所述金属光栅层的周期不超过1000nm,厚度不超过150nm。
7.根据权利要求1所述的超分辨光学显微镜成像载玻片,其特征在于,所述金属光栅层的狭缝宽度不超过50nm。
8.根据权利要求1所述的超分辨光学显微镜成像载玻片,其特征在于,所述金属薄膜层的厚度不超过30nm。
9.根据权利要求1所述的超分辨光学显微镜成像载玻片,其特征在于,所述光刻胶层的厚度不超过200nm。
10.一种光学显微镜,其特征在于,包括权利要求1-9中任一所述的超分辨光学显微镜成像载玻片。
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