CN111653379B - 基于多光纤光镊的纳米粒子输送器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是基于多光纤光镊的纳米粒子输送器。其特征是：它由单芯光纤、处在同一平面内的多根单芯光纤、微球透镜以及微纳颗粒组成。本发明基于多根单芯光纤产生的自由传输光束实现对微球透镜捕获的同时，通过改变通入的光功率实现了其在捕获位置附近横向可控移动。又利用垂直于平面的光纤中通入的光束经过微球透镜后形成的强汇聚光束实现对微纳颗粒的三维捕获，由于特制微粒在特定光波段产生的Fano共振和表面等离子体共振现象，使得微纳颗粒主要表现出金属特性而被弹射出去，最终通过改变捕获微球透镜所用光纤中的光功率以及捕获微纳颗粒所用光纤中的光波波长就可以实现对微纳颗粒的精准捕获与弹射。装置主要用于对微纳颗粒的推进输运。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是基于多光纤光镊的纳米粒子输送器，主要用于生物分子、生物细胞、药物颗粒、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒等微纳颗粒的光操纵及推进输运，属于光纤技术领域。
(二)背景技术
光镊作为一种研究微观世界科学现象的工具，由美国贝尔实验室的Ashkin及其同事于1986年首次提出[Optics Letters,18(5):288-290,1986]。光镊技术使用激光束来实现对尺度在微米、纳米量级的微粒进行非机械接触式的捕获和操作，对微粒不会产生机械损伤，因而几乎不影响粒子的周围生物环境。加之生物微粒本身对光具有良好的穿透性，使得光镊技术特别适用于生物微粒的活体或在体操作。同时，光镊还可以通过标定后用于测量微观粒子系统产生的微小力或位移。对光镊技术进行分析与研究，可将其应用于微流控制，胶体、流体力学和非平衡热动力学等研究领域。对光镊技术进行分析与研究，更重要的是，可以发展生物分子操作的工具，有利于促进生物化学、生物物理学领域等需要单独操纵或研究单一分子的研究领域的大力发展。
光纤光镊克服了传统光镊的缺点，并以其结构简单、价格便宜、传输光路柔性强及捕获范围大等优点越来越受到了人们的广泛重视。光纤光镊系统是利用经处理的光纤端面出射的激光束来实现对粒子的微操控。与基于显微镜的光镊系统相比，光纤形成的光阱操纵灵活，被捕获的生物样品可以自由移动。微操纵系统简单适用，光纤可以深入到样品池中形成光阱，大大提高了光阱捕获范围。
2003年加拿大的R.S.Taylor等人(美国专利，Method and evice for manipulating microscopic quantities of materaial，US 6,941,033B2，2005)利用腐蚀和镀膜的方法，制作了一种金属化中空光纤探针，巧妙地利用针尖的静电引力与光散射力达到平衡，捕获和操纵了浸没在水中的玻璃微粒，实现了粒子的三维捕获。这种结构的光纤光镊，加工过程中需要进行多次腐蚀，步骤复杂，加工时间长，成品率低；加工过程需要使用氢氟酸等有毒物质，对加工环境要求高。
有研究者提出系列报道[中国专利CN102147500A，CN101950049A，CN 101907742A，CN101893736A，CN101881858A]，提出基于多芯光纤的单光镊技术，这些单光纤光镊技术虽然能够解决单光纤光镊在捕获粒子的基础上更进一步操作粒子的功能，但是始终没有解决微粒横向位移可调的单光纤光镊。此后，又陆续出现苑立波等人提出的基于环形多芯光纤的光镊，公开号为CN101236275；和集成于单根光纤的多光镊，公开号为CN101251620等新型光镊，这些新型光镊多能实现对微粒进行捕获、空间定位、使其空间旋转等功能，它们都面临着如何控制多光束光阱力的问题，在分析单根多芯光纤汇聚在纤端光场时较为复杂，因此对微粒的操控精度大大下降，由于多芯光纤复杂的纤芯结构，使光源注入与多个纤芯之间的光功率分配控制十分困难。
在微粒输运的相关专利研究中，目前的相关报道[中国专利CN101950049 B,CN101907742B,CN101893736B,CN101881858B]，提出的实现微粒输送的方法虽然实际可行，但是对微粒的操控精度不够高，很多装置实际操作起来很难达到纳米级别，而且对微粒的捕获不够灵活准确，可调节性不够。
此外，报道中提出的多芯光纤或者环形芯拉制成本较高，不易购买。因此采用多根单芯光纤更利于多光纤光镊技术的推广。
基于此，本专利提出了一种基于多光纤光镊的纳米粒子输送器，把多芯光纤中周围纤芯解放出来，都换做单芯光纤，形成多根单芯光纤形成的多光纤光镊系统，通过改变通入同一平面内的单芯光纤的通光功率，在捕获粒子的同时还能实现其在捕获位置附近横向可控移动。不仅简化了对汇聚光场的分析过程，而且捕获的透镜实现了对垂直于此平面光纤中光束的强汇聚，大大提高了操控精度。最终利用“光手”功能对微球透镜位置在二维平面内的精准操控，实现对后方微纳颗粒的捕获以及定向推进输送。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种利用多根单芯光纤组成的多光纤光镊实现对多微纳颗粒的操控，并实现对微纳颗粒定向推进输送的输送器。
本发明的目的是这样实现的：
该基于多光纤光镊的纳米粒子输送器是由单芯光纤、处在同一平面内的多根单芯光纤、微球透镜以及微纳颗粒组成。所述器件中功率变化的捕获光波3输入到处于同一平面内的多根单芯光纤的纤芯中，然后在多根单芯光纤的纤端输出多个自由传输光束，并稳定地三维捕获住微球透镜。当注入的光功率大小相等时，根据光纤光镊的基本原理，微球透镜会被俘获在光纤连线的中心。反之，通过外部控制处于同一平面的每根单芯光纤传输捕获光波的功率时，从而对多个自由传输光束的干涉光场分布实施调控，实现对微球透镜的捕获点的空间位置的调节，最终实现微球透镜在平面内的二维扫描移动。而当向中央纤芯101中注入光波7后，该光波会从光纤端面出射并被微球透镜汇聚形成强聚焦光束，该光束能够精准地俘获微纳颗粒。当向中央纤芯通入光波8时，从光纤端面出射的光波同样会被微球透镜汇聚形成强聚焦光束，若该光波会引起微纳颗粒发生Fano共振或表面等离子体共振，则微纳颗粒会在光波8强辐射压力的作用下脱离光波7的束缚并弹射出去。通过微球透镜的二维移动可实现对强聚焦光束的传输路径的改变，这样微纳颗粒就会沿着传输路径被定向弹射到设定区域中。通过对光波3、7和8的控制就可实现对微纳颗粒捕获点和弹射输运路径的调节与控制。
下面将详细阐述基于多光纤光镊的粒子光操纵器件的微粒定向推进输运的原理。
利用输入输出模块以及光功率控制模块对捕获微球透镜的光纤进行通光，利用输入输出模块对光功率控制模块的控制，实现对各个光纤光功率大小的控制，当纤芯处于同一光功率时，各个光纤纤端发出的光束汇聚在光纤连线的交点上，产生第一个光阱位置。微球透镜在光阱力的作用下被俘获在焦点处。当通入各个光纤纤芯的光功率不一致时，在纤端汇聚时焦点会发生对应的移动，微球透镜又再一次的被拉回束缚在焦点处，通过主观的控制通入各个纤芯中光功率的大小，就可以实现微球透镜在二维平面内的光俘获与操纵。
通过几何光学的学习，我们了解到当给球透镜通光时，透镜会对光束进行两次折射然后汇聚在焦点处，当对透镜进行垂直光束方向进行移动时，光束汇聚的焦点会对应发生改变。对于我们设计的器件来说，垂直于平面的光纤的光束通过可操控的微球透镜之后，由于尺寸在微米级别的微球透镜对光束的两次折射，会形成强汇聚焦点，即产生第二个光阱位置。汇聚光场足以控制纳米级别的粒子，当我们对透镜进行可操控的移动之后，强聚焦点位置捕获的纳米粒子也可以实现精准的俘获与操控。
采用特殊结构的微纳颗粒，例如纯的介质材料、生物材料或其他透明材料中的一种。可选的，材质也可以是透明材料和非透明材料混合或层叠材料。该种结构的粒子处于光波长变化的光场中时，会具有Fano共振和表面等离子体共振的现象。法诺共振(Fanoresonance)是一种会产生非对称线形的散射共振现象。背景和共振散射之间的干涉产生一种非对称的线形。背景和共振散射之间的干涉产生一种非对称的线形。法诺共振的线形来自于两个散射振幅的干涉，一个是连续态的散射(与背景相关)，另一个则是离散态的激发(与共振相关)。共振态的能量必须处于连续态的能量范围，此效应才会产生。在共振能量附近，背景散射的振幅随着能量的变化通常很和缓；但共振散射的振幅的幅度及相位，变化都相当的快，从而导致了非对称的发生。在能量离共振能量很远时，背景散射占主要地位。能量在共振能量左右2Γres的范围时，共振散射的振幅相位会差π。就是这个相位的剧烈变化造成了非对称的线形。法诺证明散射的总截面σ,约为下述形式：
其中Γres为共振能量的峰宽，q则为法诺变量，代表着共振散射及直接(背景)散射之间的振幅比例。
表面等离子体共振，英文简称SPR。是指消逝波和等离子波在介质交界面相遇时会发生共振，发生共振时，反射光强会大幅度地减弱。能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使反射光的能量急剧减少。
Fano共振和表面等离子体共振现象，即微纳颗粒所受合力的方向在纵向产生不同寻常的正向和反向的现象，在粒子捕获中表现为对粒子的协助捕获与定向弹射，利用这一机理，当通入合力为负向的光波长时，协助光镊俘获微粒；反之，实现对粒子的定向弹射。对整个系统进行设计，通过改变通入捕获微球透镜的光纤中的光功率以及通入捕获微纳颗粒的光纤中的光波长，最终实现将微纳颗粒按照预定的路径弹射到指定区域中，实现对微纳颗粒的输运功能。
本发明的优势在于：利用多根以单模光纤为代表的单芯光纤构建捕获位置可横向移动的光镊的同时，实现对微纳级别微粒的定向推进输运。不仅节省了成本，简化了对汇聚光场的分析过程，而且拓展了光纤光镊技术在极端工作环境中工作的新功能，使其在光纤集成器件应用以及生物医学研究等领域有广泛的应用价值。
(四)附图说明
图1是基于多光纤光镊的纳米粒子输送器的结构示意图。由单芯光纤1、处在同一平面内多根单芯光纤2、微球透镜5以及微纳颗粒10组成。
图2(a)是拉锥制得弧形锥面的圆锥台纤端的制备示意图。由CMOS相机201、左手拉锥平台202、加热平台203、右手拉锥平台204、加热系统205、光纤对准、拉锥系统206、光纤图像检测系统207、硬件系统操控平台208、光纤图像209以及计算机操控系统210组成。(b)是弧形锥面的圆锥台纤端的结构示意图。
图3是磨锥制得圆锥台纤端的制备示意图。由光纤夹具301、单芯光纤302、研磨盘303组成。
图4给出了中央纤芯的折射率分布。分别为单层阶跃、多层阶跃、单层渐变以及多层渐变的结构示意图。
图5是二氧化碳激光器分别刻写介质手性螺旋光栅以及结构手性螺旋光栅系统结构示意图。由电脑控制系统、二氧化碳激光器、激光扫描系统、透镜以及单芯光纤组成。(a)图中给出了中央纤芯刻有介质手性螺旋光栅的结构示意图。(b)图中给出了中央纤芯刻有结构手性螺旋光栅时的结构示意图。(c)图为中央纤芯刻有介质手性螺旋光栅下微纳颗粒的旋转操纵示意图。
图6给出了捕获微球透镜的同一平面内的多根单芯光纤以及中央纤芯的不同形状结构示意图。(a)图中给出了只有两根单芯光纤的结构示意图，标号依次为处于同一平面内的单芯光纤2、纤芯201、包层202、通入2中各个纤芯光功率变化的捕获光波3、多个自由传输光束4、微米级别的微球透镜5、微球透镜在二维平面内的操控路径6组成。(b)图中给出了六根单芯光纤结构示意图。(c)图中给出了N根单芯光纤结构示意图。(d)图中给出了中央纤芯形状为三角形时的结构示意图。(e)图中给出了中央纤芯形状为正方形时的结构示意图。(f)图中给出了中央纤芯形状为环形时的结构示意图。
图7是基于多光纤光镊的纳米粒子输送器装置的应用结构示意图，包括(a)图和(b)图。标号依次是单芯光纤1、处在同一平面内多根单芯光纤2、通入2中各个纤芯光功率变化的捕获光波3、多个自由传输光束4、微米级别的微球透镜5、微球透镜在二维平面内的操控路径6、通入垂直于2中所有光纤的单芯光纤的捕获光7、通入垂直于2中所有光纤的单芯光纤的弹射光8、1经过微球透镜之后产生的强汇聚光束9、微纳颗粒10、对微纳颗粒弹射的不同路径11以及微流多通道12。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例来进一步阐述本发明。
结合图1，本发明实施方式是功率变化的捕获光波3输入到处于同一平面内的多根单芯光纤的纤芯中，然后在多根单芯光纤的纤端输出多个自由传输光束，并稳定地三维捕获住微球透镜。当注入的光功率大小相等时，根据光纤光镊的基本原理，微球透镜会被俘获在光纤连线的中心。反之，通过外部控制处于同一平面的每根单芯光纤传输捕获光波的功率时，从而对多个自由传输光束的干涉光场分布实施调控，实现对微球透镜的捕获点的空间位置的调节，最终实现微球透镜在平面内的二维扫描移动。而当向中央纤芯101中注入光波7后，该光波会从光纤端面出射并被微球透镜汇聚形成强聚焦光束，该光束能够精准地俘获微纳颗粒。当向中央纤芯通入光波8时，从光纤端面出射的光波同样会被微球透镜汇聚形成强聚焦光束，若该光波会引起微纳颗粒发生Fano共振或表面等离子体共振，则微纳颗粒会在光波8强辐射压力的作用下脱离光波7的束缚并弹射出去。通过微球透镜的二维移动可实现对强聚焦光束的传输路径的改变，这样微纳颗粒就会沿着传输路径被定向弹射到设定区域中。通过对光波3、7和8的控制就可实现对微纳颗粒捕获点和弹射输运路径的调节与控制。
基于多光纤光镊的纳米粒子输送器件制备过程可分为以下两个步骤(见图2-图3)：
步骤1、单芯光纤的固定。各个单芯光纤的通过光纤夹具以及多维机械手进行通光方向的控制。根据实施方式所述，多根光纤在处于同一平面时，通光方向指向中心同一点，且为了更好的进行受力分析，光纤在平面内呈正多边形分布；
步骤2、纤端微加工(此步骤可采用两种方式制备)：光纤拉锥(见图2)。光纤去除涂覆层之后固定在光纤夹具上，控制系统驱动承载光纤的左手电控位移平台202以及右手电控位移平台204，将光纤送至CMOS相机201视野范围内，在视野区通过自动调焦系统将光纤对焦获得清晰图像209，图像可以通过计算机操控系统210进行显示。计算光纤几何参数与位姿信息并作为反馈量，通过调节左右手五个维度的微动执行装置，实现光纤波导与加热装置的对准。驱动电加热装置208将熔融区送至波导对准位置进行加热，用左、右手电控位移平台对光纤进行一定速度下的拉伸，拉锥完成后，在拉锥区域的合适位置用光纤切割刀进行切割，最终形成具有弧形锥面的圆锥台纤端。光纤纤端研磨(见图3)。用光纤夹具301固定好单芯光纤302，然后把纤端放置于研磨盘303上，光纤夹具与光纤研磨盘各连接有一个直流电机驱动使其绕各自的中轴自转；保持单芯光纤与研磨盘盘面法线呈固定夹角θ，通过光纤夹具和研磨盘的自转即可研磨出张开角为θ的圆锥台纤端。
可选的，中央纤芯的折射率分布可以是单层阶跃、多层阶跃、单层渐变和多层渐变中的一种，如图4(a)-(d)所示。
可选的，单芯光纤也可以采用二氧化碳激光或者飞秒激光在中央纤芯上均匀或非均匀刻写形成的介质手性螺旋光栅，如图5(a)所示为均匀的介质手性螺旋光栅。可选的，还可以是采用二氧化碳激光、电弧、氢氧焰等加热方式热熔扭转整个光纤直接形成的结构手性螺旋光栅，如图5(b)所示为均匀的结构手性螺旋光栅。不管是介质手性螺旋光栅还是结构手性螺旋光栅都可在中央纤芯中实现非涡旋模式转化为涡旋模式，从而在纤端出射涡旋光束，用于对微纳颗粒的旋转操纵，如图5(c)所示。
此外，可以通过适当地增加平面内的单芯光纤数量，制备出相应的粒子光操纵器件，在我们的可操控范围内对微纳颗粒的操控更加精确。例如，操控微球透镜的平面内两根、六根、N根的单芯光纤，如图6(a)-(c)所示。可选的，单芯光纤的纤芯形状可以是三角形、正方形、环形或者其他多边形的一种，如图6(d)-(f)所示。
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
步骤1、光纤固定：按照实施方式的光纤固定方法固定多根单芯光纤。采用带尾纤的激光器加普通单模光纤进行注光；
步骤2、纤端微加工(此步骤可采用两种方式制备)：光纤拉锥：按照实施方式的光纤拉锥方法制作弧形锥面的圆锥台纤端(见图2)，按照实施方式的光纤纤端研磨方法制作圆锥台纤端结构(见图3)；
步骤3、微球透镜光俘获与操纵(见图1、图7)：功率变化的捕获光波3输入到处于同一平面内的多根单芯光纤的纤芯中，然后在多根单芯光纤的纤端输出多个自由传输光束，并稳定地三维捕获住微球透镜。当注入的光功率大小相等时，根据光纤光镊的基本原理，微球透镜会被俘获在光纤连线的中心。反之，通过外部控制处于同一平面的每根单芯光纤传输捕获光波的功率时，从而对多个自由传输光束的干涉光场分布实施调控，实现对微球透镜的捕获点的空间位置的调节，最终实现微球透镜在平面内的二维扫描移动；
步骤4、微纳颗粒的光俘获与弹射(见图1、图7)：在实现对微米级别的微球透镜的光俘获与操纵，即实现微球透镜在二维平面内的可操控移动后，向中央纤芯101中注入光波7后，该光波会从光纤端面出射并被微球透镜汇聚形成强聚焦光束，该光束能够精准地俘获微纳颗粒。微球透镜进行可操控的移动时，透镜焦点位置也会发生改变，微纳颗粒也会在光阱力的作用下再次被捕获在焦点处。通过移动光纤，可以实现对粒子的定向性输运。向中央纤芯通入光波8时，从光纤端面出射的光波同样会被微球透镜汇聚形成强聚焦光束，若该光波会引起特殊结构的微纳颗粒，例如介质材料、生物材料、其他透明材料、透明材料和非透明材料混合或层叠材料中的一种时，会发生Fano共振或表面等离子体共振现象，合力在纵向产生不同寻常的正向和反向的现象，在粒子捕获中表现为对粒子的协助捕获与定向弹射，利用这一机理，当通入合力为负向的光波长时，协助光镊俘获微纳颗粒；反之，在微球透镜操控以及微纳颗粒操控的前提下，按照实际所需，将微纳颗粒按照预定的路径定向弹射到微流多通道的不同通道中，从而利用装置完成对微纳颗粒捕获点和弹射输运路径的调节与控制。
Claims (10)
1.基于多光纤光镊的纳米粒子输送器，其特征是：它由第一单芯光纤(1)、处在同一平面内的多根第二单芯光纤(2)、微球透镜(5)以及微纳颗粒(10)组成；第一单芯光纤(1)由中央纤芯(101)、第一包层(102)组成，多根第二单芯光纤(2)由第二纤芯(201)、第二包层(202)组成；功率变化的捕获第一光波(3)输入到处于同一平面内的多根第二单芯光纤(2)的第二纤芯(201)中，然后在多根第二单芯光纤(2)的纤端输出多个自由传输光束(4)，并稳定地三维捕获住微球透镜(5)；当注入的光功率大小相等时，根据光纤光镊的基本原理，微球透镜(5)会被俘获在光纤连线的中心，反之，通过外部控制处于同一平面的每根单芯光纤传输捕获第一光波(3)的功率时，从而对多个自由传输光束(4)的干涉光场分布实施调控，实现对微球透镜(5)的捕获点的空间位置的调节，最终实现微球透镜(5)在平面内的二维扫描移动(6)；而当向中央纤芯(101)中注入第二光波(7)后，该光波会从光纤端面出射并被微球透镜(5)汇聚形成强聚焦光束(9)，该光束能够精准地俘获微纳颗粒(10)；当向中央纤芯通入第三光波(8)时，从光纤端面出射的光波同样会被微球透镜(5)汇聚形成强聚焦光束(9)，若该光波会引起微纳颗粒(10)发生Fano共振或表面等离子体共振，则微纳颗粒(10)会在第三光波(8)强辐射压力的作用下脱离第二光波(7)的束缚并弹射出去；通过微球透镜(5)的二维扫描移动(6)可实现对强聚焦光束(9)的传输路径(11)的改变，这样微纳颗粒(10)就会沿着传输路径(11)被定向弹射到设定区域(12)中；通过对第一光波(3)、第二光波(7)和第三光波(8)的控制就可实现对微纳颗粒(10)捕获点和弹射输运路径的调节与控制。
2.根据权利要求1所述的基于多光纤光镊的纳米粒子输送器，圆锥台纤端的目的是更好的靠近捕获的微粒并进行捕获，其圆锥台纤端制备方法如下：第一种方法：用光纤夹具固定住第一单芯光纤(1)或多根第二单芯光纤(2)，然后把纤端放置于研磨盘上，光纤夹具与光纤研磨盘都能绕各自的中轴自转，通过控制光纤与研磨盘盘面法线的夹角来制备具有不同张开角的圆锥台纤端；第二种方法：把光纤放置于光纤拉锥机上，拉制成合适的锥长并在拉锥区域合适位置切割，形成具有弧形锥面的圆锥台纤端。
3.根据权利要求1所述的基于多光纤光镊的纳米粒子输送器，其特征是：所述的多根第二单芯光纤(2)的数量大于等于2，呈正多边形分布，易于对微粒进行操控，且第一单芯光纤(1)和多根第二单芯光纤(2)的中心轴在空间中交汇于一点。
4.根据权利要求1所述的基于多光纤光镊的纳米粒子输送器，其特征是：所述的微球透镜(5)是介质材料、生物材料以及其他透明材料中的一种。
5.根据权利要求1所述的基于多光纤光镊的纳米粒子输送器，其特征是：所述的微纳颗粒(10)的材质是介质材料、生物材料、其他透明材料、透明材料和非透明材料混合或层叠材料中的一种。
6.根据权利要求1所述的基于多光纤光镊的纳米粒子输送器，其特征是：所述的微纳颗粒(10)在光场中若没有Fano共振和表面等离子体共振的现象，则无法实施弹射输运，采取移动光纤的方式来达到控制微粒到达任一指定位置的目的。
7.根据权利要求1所述的基于多光纤光镊的纳米粒子输送器，其特征是：所述的中央纤芯(101)的折射率分布是单层阶跃分布、多层阶跃分布、单层渐变分布和多层渐变分布纤芯中的一种。
8.根据权利要求1所述的基于多光纤光镊的纳米粒子输送器，其特征是：所述的第一单芯光纤(1)，采用二氧化碳激光或者飞秒激光在中央纤芯(101)上均匀或非均匀刻写形成的介质手性螺旋光栅，采用二氧化碳激光或者氢氧焰的加热方式热熔扭转整个光纤直接形成的结构手性螺旋光栅。
9.根据权利要求8所述的基于多光纤光镊的纳米粒子输送器，其特征是：所述的手性螺旋光栅不管是介质手性螺旋光栅还是结构手性螺旋光栅都可在中央纤芯(101)中实现非涡旋模式转化为涡旋模式，从而在纤端出射涡旋光束，用于对微纳颗粒(10)的旋转操纵。
10.根据权利要求1或3所述的基于多光纤光镊的纳米粒子输送器，其特征是：所述的第一单芯光纤(1)和多根第二单芯光纤(2)的纤芯形状是圆形、环形、三角形、矩形或者其他多边形中的一种。
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