CN108593627A - 一种表面增强拉曼光谱基底、制造工艺及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面增强拉曼光谱基底、制造工艺及应用;表面增强拉曼光谱基底,包括目标基底层、阳极多孔氧化铝模板层和活性金属颗粒;该目标基底层上具有一个第一表面;阳极多孔氧化铝模板层,该阳极多孔氧化铝模板层形成于所述目标基底层的第一表面上;该活性金属颗粒非连续的分散于所述阳极多孔氧化铝模板层/和目标基底层的第一表面处。本技术的表面增强拉曼光谱基底包括有阳极多孔氧化铝模板层和非连续分布的活性金属颗粒,该阳极多孔氧化铝模板层由于存在无数的通孔,其改变了活性金属颗粒的分布位置,以此改变了活性金属颗粒周围的电场分布,使得接近活性金属颗粒表面的电场强度明显增强,最终实现拉曼光谱基底的拉曼强度。
Description
技术领域
本发明涉及拉曼光谱基底技术领域,尤其是一种表面增强拉曼光谱基底、制造工艺及应用。
背景技术
表面增强拉曼光谱(Surface-Enhanced Ramans Cattering,SERS)技术因其可以提供分子指纹信息,检测速度快,灵密度和准确度高,在食品安全、医疗检测、环境污染物检测等领域有着巨大的潜在应用价值。产品化SERS基底的性能要求是除了要具有高的表面增强因子之外,还应均匀性和重复性好、方便使用、成本低廉。近年来涌现了大量的采用不同方法制备的SERS基底,其中,使用金属直接蒸镀制备SERS基底,因其步骤简单、材料利用率高而得到广泛的研究也应用。超薄阳极氧化铝模板是一种孔径可达到100nm以下,厚度1000nm以下的多孔模板,它一般采用两步氧化法制备,孔排列具有短程高度有序,孔径均匀,成本低,面积大,易于产业化等优点,以超薄阳极氧化铝模板为掩模板,通过金属蒸镀,可以简单方便地在基底上获得排列规整、大小均匀、大面积(平方厘米级以上)的金属纳米颗粒阵列,作为SERS基底具有均匀性好、重复性高、成本低廉等优点。
然后,迄今为止所报道的都是采用一层超薄阳极氧化铝模板在基底上制备金属纳米颗粒阵列,而且在金属沉积之后都是将作为掩模板的阳极氧化铝去除。这就产生了三个问题,造成采用超薄阳极氧化铝模板制备的SERS基底增强因子不高,灵敏度低。第一,氧化铝模板孔形状为圆形,所制备的金属纳米颗粒形状也是圆形,这不利于高的局域电场增强的产生,因为高的局部电场增强通常发生在米粒状、棒状金属纳米颗粒的尖端。第二,由于掩模板在金属沉积过程中的遮蔽效应,所制备出的纳米颗粒之间的间隙都是大于多孔掩模板孔壁的厚度,从而很难在金属纳米颗粒之间产生极窄的间隙,而极窄间隙恰是高的局部电场增强通常发生的位置。第三,掩模板在沉积金属后一般都是直接将其去除,因为一般大家都认为掩模板对SERS基底性能没有作用。
因此,上述提到的技术问题需要解决。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提出一种表面增强拉曼光谱基底、制造工艺及应用,目的在于解决传统单层超薄阳极氧化铝模板在基底上制备金属纳米颗粒阵列作为SERS基底增强因子比较低的问题。
为了解决上述的技术问题,本发明提出的基本技术方案的一个方面为:
一种表面增强拉曼光谱基底,包括:
目标基底层,该目标基底层上具有一个第一表面;
依序叠加的至少两层阳极多孔氧化铝模板层,该至少两层阳极多孔氧化铝模板层包括位于最底层的第一模板层和位于最上层的第二模板层,其中所述第一模板层形成于所述目标基底层的第一表面上;以及
活性金属颗粒,该活性金属颗粒包括活性金属颗粒连续层结构和活性金属颗粒分散层结构,所述活性金属颗粒连续层分布在所述第二膜板层表面,活性金属颗粒分散层结构分布在目标基底层的第一表面/和阳极多孔氧化铝膜板层的通孔处。
进一步的,所述活性金属颗粒的厚度介于~nm之间。
进一步的,该活性金属颗粒的活性金属材料为金、银、铝、铂和铜中的至少一种。
进一步的,所述活性金属颗粒采用沉积的方式形成于所述第二膜板层表面 /和目标基底层的第一表面以及阳极多孔氧化铝膜板层的通孔处。
进一步的,沉积的方法采用热蒸发法、电子束蒸镀法和磁控溅射法中的一种。
进一步的,部分所述活性金属颗粒穿过所述通孔沉积在所述第一表面和通孔内壁处。
进一步的,阳极多孔氧化铝模板的孔直径为5~1000nm,阳极多孔氧化铝模板的孔中心间距为10~1500nm,阳极多孔氧化铝模板的厚度为10~1000nm。
进一步的,所述目标基底层为硅、蓝宝石、碳化硅、石英玻璃和普通玻璃中的一种。
进一步的,第二膜板层的上表面形成活性纳米金属颗粒网结构,第二膜板层处形成棒状或星型活性纳米金属颗粒结构。
另外一方面,本技术方案提出一种用于制造表面增强拉曼光谱基底的工艺,其特征在于,包括如下步骤:
1、提供目标基底层,该目标基底层上具有一个第一表面;
2、形成依序叠加的至少两层阳极多孔氧化铝模板层,该至少两层阳极多孔氧化铝模板层包括位于最底层的第一模板层和位于最上层的第二模板层,其中所述第一模板层形成于所述目标基底层的第一表面上;
3、形成活性金属颗粒,该活性金属颗粒包括活性金属颗粒连续层结构和活性金属颗粒分散层结构,所述活性金属颗粒连续层分布在所述第二膜板层表面,活性金属颗粒分散层结构分布在目标基底层的第一表面/和阳极多孔氧化铝膜板层的通孔处。
优选的,所述活性金属颗粒采用沉积的方式形成于所述第二膜板层表面/ 和目标基底层的第一表面以及阳极多孔氧化铝膜板层的通孔处。
优选的,沉积的方法采用热蒸发法、电子束蒸镀法和磁控溅射法中的一种。
再一方面,本技术方案提出了一种所述的表面增强拉曼光谱基底在拉曼光谱仪中的应用。
本发明的有益效果是:
本发明的技术方案一种表面增强拉曼光谱基底,包括目标基底层、阳极多孔氧化铝模板层和活性金属颗粒;该目标基底层上具有一个第一表面;阳极多孔氧化铝模板层,该阳极多孔氧化铝模板层形成于所述目标基底层的第一表面上;该活性金属颗粒非连续的分散于所述阳极多孔氧化铝模板层/和目标基底层的第一表面处。本技术的表面增强拉曼光谱基底包括有阳极多孔氧化铝模板层和非连续分布的活性金属颗粒,该阳极多孔氧化铝模板层由于存在无数的通孔,其改变了活性金属颗粒的分布位置,以此改变了活性金属颗粒周围的电场分布,使得接近活性金属颗粒表面的电场强度明显增强,最终实现拉曼光谱基底的拉曼强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案,下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1为一种表面增强拉曼光谱基底的机构原理示意图之二;
图2的a和b为在硅基底形成了两层阳极多孔氧化铝模板层后的扫描电镜图;图2的c和d为在两层阳极多孔氧化铝模板层沉积了银之后所得到的拉曼光谱基底的结构的扫描电镜照片。
图3为实施例1与对照实验组的表面增强拉曼光谱基底测试后得到的测试结果。
图4为实施例1的表面增强拉曼光谱基底进行不同浓度4-ATP分子的测试结构图谱。
具体实施方式
下面将结合附图1-4对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要说明,若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……),则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
参见图1,一种表面增强拉曼光谱基底,包括目标基底层10、依序叠加的至少两层阳极多孔氧化铝模板层20和活性金属颗粒30;其中,目标基底层10 上具有一个第一表面101;至少两层阳极多孔氧化铝模板层20包括位于最底层的第一模板层201和位于最上层的第二模板层202,其中所述第一模板层201 形成于所述目标基底层10的第一表面上101;该活性金属颗粒30包括活性金属颗粒连续层结构301和活性金属颗粒分散层结构302,所述活性金属颗粒连续层301分布在所述第二膜板层202表面,活性金属颗粒分散层结构302分布在目标基底层10的第一表面101/和阳极多孔氧化铝膜板层20的通孔处。
在本技术方案中,目标基底层10、至少两层阳极多孔氧化铝模板层20和活性金属颗粒30的基本参数和选材可以优选下列数据:所述目标基底层10为硅、蓝宝石、碳化硅、石英玻璃和普通玻璃中的一种。该活性金属颗粒30的活性金属材料为金、银、铝、铂和铜中的至少一种,并且可以采用纳米级活性金属颗粒。阳极多孔氧化铝模板20的孔直径为5~1000nm,阳极多孔氧化铝模板20的孔中心间距为10~1500nm,阳极多孔氧化铝模板20的厚度为 10~1000nm;其中没一层模板的厚度可以是相同或不同,孔直径、孔中心间距相同;在具体的应用中,可以根据不同的需求进行选定。
鉴于阳极多孔氧化铝模板层20的多孔性,活性金属颗粒30按照不同的形式被分布在该阳极多孔氧化铝模板层20的表面、通孔的内壁处,能够改变活性金属颗粒30周边的电场分布,并起到强化作用。更为优选的,部分活性金属颗粒30也透过阳极多孔氧化铝模板层20的通孔进入到目标基底层10的第一表面101处;即活性金属颗粒30在空间上形成了三维分布,增加电场强度,并最终实现拉曼基底的拉曼强度。具体来说,阳极多孔氧化铝模板层20的保留显著提高了金属纳米颗粒附近的电场增强。一般地,在传统技术中采用多孔氧化铝模板制备金属纳米颗粒都是最终要把模板去除掉,只保留金属纳米颗粒。而在本实施例中保留阳极多孔氧化铝模板层20的样品,其拉曼强度是无模板的样品的几十倍,有接近两个数量级的性能提升,究其原因主要是留下的阳极多孔氧化铝模板层20在空间上改变了活性金属颗粒周围的电场分布,使接近活性金属颗粒表面的电场显著增强,这是因为氧化铝拥有很高的折射率,它的存在使得电场在空间里重新进行了分布,直接效果相当于将原本分散于金属纳米颗粒之间的比较低的电场聚集在金属纳米颗粒表面附近,而被检测分子恰恰是吸附于金属纳米颗粒表面,因此其拉曼强度得到显著提高;尤其是,在本实施例中采用了两层的氧化铝膜板层更有利于活性金属颗粒的空间上的三维分布。
具体的,在本实施例中,该活性金属颗粒30包括活性金属颗粒连续层结构301和活性金属颗粒分散层结构302,即活性金属颗粒连续层结构301分布在最上层的第二膜板层202、活性金属颗粒分散层结构302位于通孔内和第一表面101处。该活性金属颗粒30的厚度介于2~200nm之间。设置阳极多孔氧化铝膜板层20在空间上形成供活性金属颗粒30附着的三维空间,增加表面积,增加了场增强的位置和密度,也增加了吸附位置,有利于提高其作为表面增强拉曼基底的灵敏度。在形成活性金属颗粒30的时候,采用沉积的方式形成于所述第二膜板层202表面/和目标基底层10的第一表面101以及阳极多孔氧化铝膜板层20的通孔处;具体该沉积方法采用热蒸发法、电子束蒸镀法和磁控溅射法中的一种。
另外,应当理解,在本技术方案中作为更优选的方案,至少两层所述阳极多孔氧化铝模板层20并不局限于两层模板,根据需要其可以是三层、四层甚至更多,并不因此限定本发明的保护范围。
第一模板层201和第二模板层202采用叠加的方式形成在目标基底层10 的第一表面101处,第一模板层201和第二模板层202采用两步氧化法形成在目标基底层10上。
优选的,第一模板层201和第二模板层202的厚度都介于10~1000nm之间;在具体应用中,可以根据不同场合和需求在该范围内进行选定。
应当了解,部分所述活性金属颗粒30穿过所述通孔沉积在所述第一表面 101和通孔内壁处。具体的,第一模板层201和第二模板层202的通孔相互贯穿并连通至所述目标基底层10的第一表面101。活性金属颗粒30是能够由第二模板层202通过通孔进入到第一表面101并沉积在第一表面101处;同时部分活性金属颗粒30沉积在第一模板层201和第二模板层202的通孔处;该技术特征能够保证活性金属颗粒30在第一模板层201、第二模板层202和第一表面101之间形成三维分布。
另外,作为优选的,在最上层的阳极多孔氧化铝模板层20形成活性纳米金属颗粒网结构,在其余的阳极多孔氧化铝模板层20形成棒状或星型活性纳米金属颗粒结构。即在本实施例中,第二膜板层202的上表面形成活性纳米金属颗粒网结构,第二膜板层201处形成棒状或星型活性纳米金属颗粒结构。
具体的,依序叠加的至少两层阳极多孔氧化铝模板层20使活性金属颗粒在三维空间内分布,增加了活性金属颗粒的空间密度,可以为被检测分子提供更多的吸附位置。与没有阳极多孔氧化铝模板层20的技术相比,蒸镀的活性金属颗粒将会在目标基底层上形成连续活性金属颗粒薄膜,而本技术方案中采用阳极多孔氧化铝模板层20时,使得传统技术中原本连续的活性金属颗粒膜相当于被截断了,一部分活性金属颗粒到达目标基底层10的第一表面101形成纳米颗粒,一部分落在阳极多孔氧化铝模板层20上,形成额外的纳米级活性金属颗粒层。应当理解,所使用的阳极多孔氧化铝模板层20层数越多,活性金属颗粒30在三维尺度上的分散性越大,在除了最上面的一层以外每一层阳极多孔氧化铝模板层20的表面会形成棒状或星型金属纳米结构,在最上面一层阳极多孔氧化铝模板层20的表面会形成纳米孔金属网,在所有阳极多孔氧化铝模板层20孔内壁表面会形成大量尺度小于10nm的纳米级活性金属颗粒。这些纳米级活性金属颗粒结构分布与垂直于基底表面方向的三维空间范围内,增加了场增强的位置和密度,也增加了吸附位置,有利于提高其作为SERS 基底的灵敏度。
同时,可以在目标基底层10的第一表面101的活性金属颗粒阵列中获得尺度小于模板孔壁厚度的间隙。当采用双层纳米级活性金属颗粒沉积活性金属颗粒的时候,最上层的第二膜板层202的孔壁被下层的第一膜板层201抬起而与目标基底层10分离,在金属蒸镀的时候,由于金属蒸汽在其飞行方向的扩散效应,部分金属蒸汽将绕过上层阳极多孔氧化铝模板层20的孔壁,到达孔壁在目标基底层10上的投影位置,从而在活性金属颗粒阵列中形成了比孔壁厚度更小的间隙;而间隙越小,越有利于提高场增强,进而提高表面拉曼基底的灵敏度。
另外一方面,本发明还提出一种用于制造表面增强拉曼光谱基底的工艺,包括如下步骤:
1、提供目标基底层10,该目标基底层10上具有一个第一表面101;
2、形成依序叠加的至少两层阳极多孔氧化铝模板层20,该至少两层阳极多孔氧化铝模板层20包括位于最底层的第一模板层201和位于最上层的第二模板层202,其中所述第一模板层201形成于所述目标基底层10的第一表面上101;
3、形成活性金属颗粒30,该活性金属颗粒30包括活性金属颗粒连续层结构301和活性金属颗粒分散层结构302,所述活性金属颗粒连续层301分布在所述第二膜板层202表面,活性金属颗粒分散层结构302分布在目标基底层10 的第一表面101/和阳极多孔氧化铝膜板层20的通孔处。
具体,所述目标基底层10为硅、蓝宝石、碳化硅、石英玻璃和普通玻璃中的一种。该活性金属颗粒30的活性金属材料为金、银、铝、铂和铜中的至少一种,并且可以采用纳米级活性金属颗粒。
详细的,所述活性金属颗粒30采用沉积的方式形成于所述第二膜板层202 表面/和目标基底层10的第一表面101以及阳极多孔氧化铝膜板层20的通孔处。
以两层阳极多孔氧化铝模板层20为例,具体在制造表面增强拉曼光谱基底的时候,通过两步氧化法以叠加的方式在目标基底层10处形成两层厚度介于10~1000nm的阳极多孔氧化铝模板层20,即本实施例中形成所述的第一膜板层201和第二膜板层202;然后采用热蒸发法、电子束蒸镀法和磁控溅射法中的一种方法在两层阳极多孔氧化铝模板层20处形成活性金属颗粒30,该活性金属颗粒30分散在两层阳极多孔氧化铝模板层20和第一表面101处。
本发明的再另外一方面提出一种应用,具体为上述任意一种表面增强拉曼光谱基底在拉曼光谱仪中的应用。
总之,本发明的技术方案通过至少两层阳极多孔氧化铝模板层20以改变活性金属颗粒30的分布状况,实现三维分布,提高场强度,增强了表面增强拉曼光谱基底的电场强度。
以下以具体的实施例进行说明:
实施例1:
S1、提供硅基底,该硅基底上具有一个第一表面;
S2、采用氧化法在硅基底的第一表面形成叠加的第一模板层201和位于最上层的第二模板层202,该第一模板层201和位于最上层的第二模板层202的孔中心间距是100nm,孔直径为90nm,阳极多孔氧化铝模板层20厚度为 130nm;
S3、采用电子束蒸镀法,在第一模板层201和第二模板层202上沉积25nm 厚的银;保留阳极多孔氧化铝模板层,从而得到表面增强拉曼光谱基底。
其中:
图2的(a)和(b)为在硅基底形成了两层阳极多孔氧化铝模板层后的扫描电镜图;图2的(c)和(d)为在两层阳极多孔氧化铝模板层沉积了银之后所得到的拉曼光谱基底的结构的扫描电镜照片。
图3(a)线为采用单层多孔氧化铝模板制备的银纳米颗粒的SERS图(氧化铝模板已去除),图3(b)线为采用双层多孔氧化铝模板制备的银纳米颗粒的SERS图(氧化铝模板已去除),图3(c)线为采用双层多孔氧化铝模板制备的银纳米颗粒的SERS图(氧化铝模板保留),探针分子为4-ATP。
图4为本实施例的表面增强拉曼光谱基底进行不同浓度4-ATP分子的测试结构图谱,其包括10-9M、10-8M和10-10M三种浓度,可检测的最低浓度达 10-9M。
实施例2
S1、提供石英玻璃基底,该石英玻璃基底上具有一个第一表面;
S2、采用氧化法在石英玻璃基底的第一表面形成叠加的两层阳极多孔氧化铝模板层,阳极多孔氧化铝模板层的孔中心间距是500nm,孔直径为450nm,模板厚度为300nm。
S3.采用热蒸发法,在双层阳极多孔氧化铝模板层上沉积100nm厚的金;保留阳极多孔氧化铝模板层,从而得到表面增强拉曼光谱基底。
根据上述实施例,可以看出,采用本技术方案得到的表面增强拉曼光谱基底的强度比传统的高。
根据上述说明书的揭示和教导,本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此,本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式,对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外,尽管本说明书中使用了一些特定的术语,但这些术语只是为了方便说明,并不对本发明构成任何限制。
Claims (13)
1.一种表面增强拉曼光谱基底,其特征在于,包括: 目标基底层(10),该目标基底层(10)上具有一个第一表面(101); 依序叠加的至少两层阳极多孔氧化铝模板层(20),该至少两层阳极多孔 氧化铝模板层(20)包括位于最底层的第一模板层(201)和位于最上层的第二模板层(202),其中所述第一模板层(201)形成于所述目标基底层(10)的第一表面上(101);以及 活性金属颗粒(30),该活性金属颗粒(30)包括活性金属颗粒连续层结构(301)和活性金属颗粒分散层结构(302),所述活性金属颗粒连续层(301)分布在所述第二膜板层(202)表面,活性金属颗粒分散层结构(302)分布在目标基底层(10)的第一表面(101)/和阳极多孔氧化铝膜板层(20)的通孔处。
2.如权利要求 1 所述的一种表面增强拉曼光谱基底,其特征在于: 所述活性金属颗粒(30)的厚度介于 2~200nm 之间。
3.如权利要求 1 所述的一种表面增强拉曼光谱基底,其特征在于: 该活性金属颗粒(30)的活性金属材料为金、银、铝、铂和铜中的至少一种。
4.如权利要求 1 所述的一种表面增强拉曼光谱基底,其特征在于: 所述活性金属颗粒(30)采用沉积的方式形成于所述第二膜板层(202) 表面/和目标基底层(10)的第一表面(101)以及阳极多孔氧化铝膜板层(20) 的通孔处。
5.如权利要求 4 所述的一种表面增强拉曼光谱基底,其特征在于: 沉积的方法采用热蒸发法、电子束蒸镀法和磁控溅射法中的一种。
6.如权利要求 1 所述的一种表面增强拉曼光谱基底,其特征在于: 部分所述活性金属颗粒(30)穿过所述通孔沉积在所述第一表面(101) 和通孔内壁处。
7.如权利要求 1 所述的一种表面增强拉曼光谱基底,其特征在于: 阳极多孔氧化铝模板(20)的孔直径为 5~1000nm,阳极多孔氧化铝模板 (20)的孔中心间距为 10~1500nm,阳极多孔氧化铝模板(20)的厚度为 10~1000nm。
8.如权利要求 1 所述的一种表面增强拉曼光谱基底,其特征在于: 所述目标基底层(10)为硅、蓝宝石、碳化硅、石英玻璃和普通玻璃中的一种。
9.如权利要求 1 所述的一种表面增强拉曼光谱基底,其特征在于: 第二膜板层(202)的上表面形成活性纳米金属颗粒网结构,第二膜板层 (201)处形成棒状或星型活性纳米金属颗粒结构。
10.一种用于制造表面增强拉曼光谱基底的工艺,其特征在于,包括如下步骤:
1)提供目标基底层(10),该目标基底层(10)上具有一个第一表面(101);
2)形成依序叠加的至少两层阳极多孔氧化铝模板层(20),该至少两层阳极多孔氧化铝模板层(20)包括位于最底层的第一模板层(201)和位于最上层的第二模板层(202),其中所述第一模板层(201)形成于所述目标基底层 (10)的第一表面上(101);
3)形成活性金属颗粒(30),该活性金属颗粒(30)包括活性金属颗粒连续层结构(301)和活性金属颗粒分散层结构(302),所述活性金属颗粒连续层(301)分布在所述第二膜板层(202)表面,活性金属颗粒分散层结构(302) 分布在目标基底层(10)的第一表面(101)/和阳极多孔氧化铝膜板层(20) 的通孔处。
11.如权利要求 10 所述的一种用于制造表面增强拉曼光谱基底的工艺, 其特征在于: 所述活性金属颗粒(30)采用沉积的方式形成于所述第二膜板层(202) 表面/和目标基底层(10)的第一表面(101)以及阳极多孔氧化铝膜板层(20) 的通孔处。
12.如权利要求 10 所述的一种用于制造表面增强拉曼光谱基底的工艺, 其特征在于: 沉积的方法采用热蒸发法、电子束蒸镀法和磁控溅射法中的一种。
13.权利要求 1 至 12 之一所述的表面增强拉曼光谱基底在拉曼光谱仪中的应用。
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- 2018-06-03 CN CN201810560226.5A patent/CN108593627A/zh active Pending
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