CN111919096A - 拉曼光谱的光谱滤波 - Google Patents

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Abstract

提供了一种拉曼光谱系统。该光谱系统包括光学开关，该光学开关包括具有泵入口和返回出口的第一侧，和具有多个泵出口和多个返回入口的第二侧。该光谱系统包括光学地耦合到泵入口的至少一个辐射源和光学地耦合到返回出口的检测器。该光谱系统进一步包括光学地耦合在该至少一个辐射源和泵出口之间的泵滤波器模块，和光学地耦合在检测器和返回入口之间的返回滤波器模块。该光谱系统进一步包括多个探头，每一个探头都由至少一个激励光纤光学地连接到该多个泵出口中的至少一个，并且由至少一个发射光纤光学地耦合到该返回入口中的一个。

Description

拉曼光谱的光谱滤波
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.§120要求于2018年2月9日提交的美国临时申请序列No.62/628,627的优先权，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开大体涉及光学设备，并且更具体地，涉及包括用于在拉曼光谱中使用的滤波部件的光学开关。
背景技术
光学开关常规地用于各种应用，包括光纤通信。此类开关用于将光从期望的光学输入引导到期望的光学输出。例如，1×N开关在公共端口和N个端口中的任何一个之间建立光学连接，其中“N”是大于1的整数。常规的光学开关可以包括，例如，基于移动棱镜或移动光纤的微机电系统(MEMs)和微机械系统。微机械开关的商业示例包括由Agiltron(美国马萨诸塞州沃伯恩)制造的LightBendTM系列。
拉曼光谱是可以利用光纤以传输和接收光的应用的示例。拉曼光谱提供了一种用于分析样品的技术，这种技术被认为适用于水性和其他液体环境，也适用于分析固体、凝胶、气体和粉末。拉曼光谱是一种分析技术，它使用光散射，通过利用单色光照射物质，然后测量散射光中各个波长及它们的强度来确定物质中各种分子的身份和浓度。
拉曼光谱系统通常包括探头(probe)，该探头促进测量远离光源和检测器的样品的拉曼光谱。该探头通过第一光纤光学地连接到光源并且通过第二光纤光学地连接到检测器。探头通常包含光学部件，该光学部件包括以激光的频率为中心的窄带通“激光清理”滤波器，和选择性地拒绝在激光频率上弹性散射的光的边缘滤波器、陷波(notch)滤波器或高通滤波器。
具有此类光学部件的探头对于具有单个探头或有限数量个探头的拉曼光谱系统是方便的。然而，随着拉曼光谱系统中探头数量的增加，其中每一个探头都包括它自己的一组光学部件，因此系统的整体成本也随之增加。
发明内容
根据本公开的实施例，提供了一种拉曼光谱系统。该光谱系统包括光学开关，该光学开关包括具有泵入口和返回出口的第一侧，和具有多个泵出口和多个返回入口的第二侧。该光谱系统包括光学地耦合到该光学开关的泵入口的至少一个辐射源和光学地耦合到该光学开关的返回出口的检测器。该光谱系统进一步包括光学地耦合在该至少一个辐射源和该光学开关的泵出口之间的泵滤波器模块，和光学地耦合在检测器和该光学开关的返回入口之间的返回滤波器模块。该光谱系统进一步包括多个探头，每一个探头都由至少一个激励光纤光学地连接到该光学开关的该多个泵出口中的至少一个，并且由至少一个发射光纤光学地耦合到该光学开关的该返回入口中的一个。
应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅仅是示例性的，并旨在提供用于理解权利要求本质和特性的概览或框架。各个附图被包括以提供进一步理解，各个附图被收入并构成本说明书的一部分。附图图示一个或多个实施例，并与说明书一起用来解释各实施例的原理和操作。
附图说明
从下列描述和附图(仅通过非限制性示例的方式给出)将更清楚地理解本公开，其中：
图1A示出了根据本公开的实施例的示例性拉曼光谱系统；
图1B示出了根据本公开的实施例的示例性拉曼光谱系统；
图2A示出了根据本公开的实施例的示例性拉曼光谱系统；
图2B示出了根据本公开的实施例的示例性拉曼光谱系统；
图3示出了根据本公开的实施例的示例性泵滤波器模块；以及
图4示出了根据本公开的实施例的示例性返回滤波器模块。
具体实施方式
现在将具体参考该(多个)实施例，其(多个)示例在附图中示出。在可能时，将在所有附图中使用相同的附图标号来指示相同或类似的部件。
除非上下文另有明确规定，单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数对象。列举相同特征的所有范围的端点可独立组合并且包括所列举的端点。所有参考都通过引用并入本文。
如本文所使用的，“具有(have)”、“具有(having)”、“包括(include)”“包括(including)”、“包括(comprise)”、“包括(comprising)”等在它们的开放意义上使用，并且通常意味着“包括但不限于”
除非另有规定，否则本文所使用的所有科学和技术术语具有本领域通用的含义。本文提供的定义旨在促进对于本文经常使用的某些术语的理解，并且并不旨在限制本公开的范围。
下面首先总体上描述本公开，然后基于几个示例性实施例进行详细描述。在各个示例性实施例中彼此结合示出的特征不必全部实现。特别地，各个特征也可以被省略，或以一些其他方式与同一示例性实施例或其他示例性实施例所示的其他特征组合。
本公开的实施例提供了包括光学开关的拉曼光谱系统，该光学开关包括第一侧，该第一侧具有光学地耦合到至少一个辐射源的泵入口和光学地耦合到检测器的返回出口。该光学开关进一步包括第二侧，该第二侧具有光学地耦合到多个探头的多个泵出口和多个返回入口。本文所描述的光谱系统进一步包括设置在该至少一个辐射源和该多个泵出口之间的泵滤波器模块，使得从该至少一个辐射源递送的所有辐射在被递送到探头之前先穿过该泵滤器模块。附加地，本文所描述的光谱系统还包括设置在检测器与该多个返回入口之间的返回滤波器模块，使得从该探头递送的所有辐射在被递送到检测器之前先穿过返回滤波器模块。本文所描述的光谱系统有利地允许对递送到多个探头的辐射进行滤波并且对从多个探头递送的辐射进行滤波，而无需在该多个探头中的每一个中提供常规的探头光学部件。因此，如本文所描述的系统降低了与利用多个探头分析多个样品或利用多个探头分析样品的多个部分相关联的成本。
图1A-图1B和图2A-图2B示出了根据本公开的实施例的示例性拉曼光谱系统。图1A所示的示例性系统100包括多个探头110和多个光纤130、132，该多个光纤130、132将该多个探头110中的每一个光学地连接到光学开关140的第一侧142。对于该多个探头110中的每一个，至少一个激励光纤130将探头110光学地连接到光学开关140的第一侧142上的泵出口148，并且至少一个发射光纤132将探头110光学地连接到光学开关140的第一侧142上的返回入口149。光学开关140的第一侧142包括多个泵出口148和多个返回入口149。至少一个辐射源152通过泵滤波器模块166光学地连接到光学开关140的第二侧144上的泵入口146，并且检测器156通过返回滤波器模块168光学地连接到光学开关140的第二侧144上的返回出口147。该系统100进一步包括控制器160和计算系统170。
图1B所示的示例性系统200包括与系统100类似的系统部件，但与系统100不同之处在于系统200包括光学开关240。光学开关240包括设置在光学开关240内、在泵入口146和该多个泵出口148之间的泵滤波器模块166。光学开关240还包括设置在光学开关240内、在返回出口147和该多个返回入口148之间的返回滤波器模块168。因此，在系统200中，该至少一个辐射源152直接光学地连接到泵入口146。该系统100进一步包括控制器160和计算系统170。
图2A所示的示例性系统300包括多个探头110、泵光学开关340a和返回光学开关340b。对于该多个探头110中的每一个，至少一个激励光纤130将探头110光学地连接到泵光学开关340a的第一侧342a上的泵出口348，并且至少一个发射光纤132将探头110光学地连接到返回光学开关340b的第一侧342b上的返回入口349。泵光学开关340a的第一侧342a包括多个泵出口348，并且返回光学开关340b的第一侧342b包括多个返回入口349。至少一个辐射源152通过泵滤波器模块166光学地连接到泵光学开关340a的第二侧344a上的泵入口346，并且检测器156通过返回滤波器模块168光学地连接到返回光学开关340b的第二侧344b上的返回出口347。该系统100进一步包括控制器160和计算系统170。
图2B所示的示例性系统400包括与系统300类似的系统部件，但与系统300不同之处在于系统400包括泵光学开关440a和返回光学开关440b。泵光学开关440a包括设置在泵光学开关440a内、在泵入口346和该多个泵出口348之间的泵滤波器模块166。返回光学开关440b包括设置在返回光学开关440b内、在返回出口347和该多个返回入口349之间的返回滤波器模块168。因此，在系统400中，该至少一个辐射源152直接光学地连接到泵入口346。
如本文所描述的该至少一个辐射源152可以是例如，具有从约200nm到约1550nm的输出波长的可商购激光器。输出波长可以在约200nm和约400nm之间的电磁光谱的紫外区域中，例如约244nm、约257nm、约266nm、约325nm或约364nm。输出波长可以在约400nm和约700nm之间的电磁光谱的可见光区域中，例如约457nm、约473nm、约488nm、约514nm、约532nm、约633nm或约660nm。输出波长可以在约700nm和约1500nm之间的电磁光谱的近红外区域中，例如约785nm、约830nm、约980nm或约1064nm。例如，如本文所描述的该至少一个辐射源152可以具有在约400nm和约850nm之间的输出波长。应当理解，可以基于利用系统100、200、300、400分析的材料来选择该至少一个辐射源152的输出波长。例如，相对较长的波长(诸如约850nm)可以更适于分析倾向于发荧光的液体，而相对较短的波长(诸如约660nm或785nm)可以更适于在期望更高的拉曼散射过程的效率时分析材料。
图3示出了如本文所描述的泵滤波器模块。根据本公开的实施例，泵滤波器模块166可以包括具有在第一端处的输入512和在第二端处的输出514的外壳510，该第二端是外壳510的与第一端相对的端。外壳输入512可以光学地耦合到该至少一个辐射源152。在系统100中，外壳输出514可以光学地耦合到光学开关140的泵入口146。类似地，在系统300中，外壳输出514可以光学地耦合到泵光学340a的泵入口346。在系统200中，外壳输出514可以光学地耦合到光学开关240内的光学连接件，该光学连接件以该多个泵出口148的方向递送辐射。类似地，在系统400中，外壳输出514可以光学地耦合到泵光学开关440a内的光学连接件，该光学连接件以该多个泵出口348的方向递送辐射。在外壳输入512和外壳输出514之间，泵滤波器模块166包括位于准直器502和聚焦透镜506之间的带通滤波器504。带通滤波器504可以在匹配的任何合适波长下可操作，以仅允许激励波长通过，但作为示例，被选择为仅允许具有785nm波长的辐射通过。准直器502在辐射进入带通滤波器504之前对该辐射进行准直。在带通滤波器504之后，聚焦透镜506将该辐射聚焦到耦合到外壳出口514的光学连接件。可选地，并且如图3所示，泵滤波器模块166可以包括位于外壳输入512和准直器502之间的第二聚焦透镜508。可以包括第二聚焦透镜508以将来自该至少一个辐射源152的辐射聚焦到准直器502。
图4示出了如本文所描述的返回滤波器模块。根据本公开的实施例，返回滤波器模块168可以包括具有在第一端处的输入612和在第二端处的输出614的外壳610，该第二端是外壳610的与第一端相对的端。外壳输出614可以光学地耦合到检测器156，并且在系统100中，外壳输入614可以光学地耦合到光学开关140的返回出口147。类似地，在系统300中，外壳输入614可以光学地耦合到返回光学开关340b的返回出口347。在系统200中，外壳输出614可以光学地耦合到光学开关240内的光学连接件，该光学连接件递送来自该多个返回入口149的辐射。类似地，在系统400中，外壳输出614可以光学地耦合到泵光学开关440b内的光学连接件，该光学连接件递送来自该多个返回入口349的辐射。在外壳输入612和外壳输出614之间，返回滤波器模块168包括位于准直器602和聚焦透镜606之间的滤波器604。滤波器604可以是例如，但不限于边缘滤波器、长通滤波器或陷波滤波器。在滤波器604是边缘滤波器或长通滤波器的情况下，滤波器604被选择为阻挡激励信号波长，但是允许更长波长或更短波长的辐射通过。在滤波器604是陷波滤波器的情况下，滤波器604被选择为阻挡激励信号波长，但是允许更长波长和更短波长的辐射都通过。如本文所使用的，术语“激励信号”是指由该至少一个辐射源152递送到该多个探头110的辐射，“激励信号波长”是指由该至少一个辐射源152递送到该多个探头110的辐射的波长。例如，在该至少一个辐射源152递送具有785nm的波长的辐射的情况下，长通滤波器适于阻挡具有785nm的波长的辐射通过。准直器602在长通滤波器604之前对该辐射进行准直。在长通滤波器604之后，聚焦透镜606将该辐射聚焦到耦合到外壳出口614的光学连接件。可选地，并且如图4所示，返回滤波器模块168可以包括位于外壳输入612和准直器602之间的第二聚焦透镜608。可以包括第二聚焦透镜608以将来自该多个探头110的辐射聚焦到准直器602。
根据本公开的实施例，系统100、200操作以通过泵入口146将辐射从该至少一个辐射源152递送到光学开关140、240中。响应于来自控制器160的控制信号，光学开关140、240在泵入口146和该多个泵出口148中的至少一个之间形成连接，使得通过至少一个激励光纤130将辐射从光学开关140、240递送到该多个探头110中的至少一个。该多个探头110将辐射从该至少一个辐射源152递送到样品，并且由样品散射的辐射被该多个探头110收集并且通过至少一个发射光纤132返回到光学开关140、240的该多个返回入口149。响应于来自控制器160的控制信号，光学开关140、240在该多个返回入口149中的至少一个和返回出口147之间形成连接，使得辐射从光学开关140、240被递送到检测器156。
根据本公开的实施例，系统300、400操作以通过泵入口346将辐射从该至少一个辐射源152递送到泵光学开关340a、440a中。响应于来自控制器160的控制信号，泵光学开关340a、440a在泵入口346和该多个泵出口348中的至少一个之间形成连接，使得通过至少一个激励光纤130将辐射从泵光学开关340a、440a递送到该多个探头110中的至少一个。该多个探头110将辐射从该至少一个辐射源152递送到样品，并且由样品散射的辐射被该多个探头110收集并且通过至少一个发射光纤132返回到返回光学开关340b、440b的该多个返回入口349。响应于来自控制器160的控制信号，返回光学开关340b、440b在该多个返回入口349中的至少一个和返回出口347之间形成连接，使得辐射从返回光学开关340b、440b被递送到检测器156。
如本文所描述的光学开关140、240、340a、340b、440a、440b可以是本领域已知的任何光学开关。例如，光学开关140、240、340a、340b、440a、440b可以是机械光学开关，诸如在美国专利No.4,239,330、美国专利No.4,239,331、美国专利No.4,322,126和美国专利No.4,303,303(其内容通过引用整体并入本文)中描述的。可选地，光学开关140、240、340a、340b、440a、440b可以是多个光纤机电开关，诸如在美国专利No.4,634,239(其内容通过引用整体并入本文)中描述的。可选地，光学开关140、240、340a、340b、440a、440b可以是折射元件光学传输开关，诸如在美国专利No.5,361,315(其内容通过引用整体并入本文)中描述的。
本公开的实施例可以包括多个探头110，每一个探头都具有光学头组件112，光学头组件112被配置为将激励辐射引导到样品并收集由样品散射的辐射。光学头组件112光学地连接到至少一个激励光纤130，通过该至少一个激励光纤130从该至少一个辐射源152引导激励信号。光学头组件112进一步光学地连接到至少一个发射光纤132。响应于激励信号而由样品散射的辐射在光学头组件112处被收集并被递送到该至少一个发射光纤132。
根据本公开的实施例，光学头组件112可以包括输入和与该输入分离的输出。该至少一个激励光纤130可以由例如，光纤连接器光学地连接到光学头组件112的输入，并且该至少一个发射光纤132可以由例如，光纤连接器光学地连接到光学头组件112的输出。替代地，光学头组件112可以包括光学地连接到光纤束的端口。光纤束可以由例如，光纤连接器光学地耦合到光学头组件112的端口。作为一个示例，光纤束可以包括一个或多个激励光纤130和围绕该一个或多个激励光纤130的圆周的多个发射光纤132。
一般理解为，在光纤束内的发射光纤132的数量越多，可以从该多个探头110传送到检测器156的散射辐射的量就越大。尽管本文所描述的光纤束可以包括任意数量的发射光纤132，但是如本文所描述的光纤束可以包括两个或更多个发射光纤132，例如，在约2个和约10个之间的发射光纤132，或在约3个和约8个之间的发射光纤132以及它们之间所有值个发射光纤132。此外，可以从该多个探头110传送到检测器156的散射辐射的量随着光纤束的光纤之间的间隔增加而减小。因此，本文所描述的光纤束包括将光纤束中的光纤之间的间距最小化的配置。例如，光纤连接到光学头组件112的光纤端可以互相直接接触。
根据本公开的实施例，系统100、200、300、400可以包括检测器156。检测器156可以通过返回滤波器模块168光学连接到返回出口147、347，以使来自样品的散射辐射能够被传输到检测器156的狭缝上。检测器156可以是基于电荷耦合器件(CCD)的传感器，该传感器将光谱数据量化并输出作为不同波长处的强度的阵列。其他示例性检测器可以包括焦平面阵列检测器(诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器)和光电二极管阵列检测器(诸如Si检测器和InGaAs检测器)。
根据本公开的实施例，系统100、200、300、400可以进一步包括控制器160，控制器160被配置为提供用于将系统100、200、300、400的各种部件连接到计算系统(诸如个人计算机)的接口。控制器160可以被配置为控制系统100、200、300、400的各种部件的操作。例如，在系统100、200中，控制器160被配置为控制光学开关140、240，或在系统300、400中，控制器被配置为控制泵光学开关340a、440a和返回光学开关340b、440b。控制器160将控制信号传送到光学开关140、240、340a、440a的嵌入式计算机，该控制信号指定要通过其递送辐射的至少一个激励光纤130。响应于该控制信号，光学开关140、240、340a、440a在泵入口146、346和该多个泵出口148、348中的至少一个之间形成连接，使得通过至少一个激励光纤130将辐射从光学开关140、240、340a、440a递送到该多个探头110中的至少一个。类似地，控制器160将控制信号传送到光学开关140、240、340b、440b的嵌入式计算机，该控制信号指定要从其递送散射辐射的至少一个发射光纤132。响应于该控制信号，光学开关140、240、340b、440b在该多个返回入口149、349中的至少一个和返回出口147、347之间形成连接，使得辐射从光学开关140、240、340b、440b被递送到检测器156。
例如，控制器160可以被配置为控制该至少一个辐射源152以打开和关闭该至少一个辐射源152，以及控制该至少一个辐射源152的输出功率。控制器160还可以被配置为控制去往检测器156的功率以打开和关闭该检测器，以及读取拉曼光谱数据以及接收光谱数据信号。附加地，控制器160可以将控制信号传输到检测器156，以将拉曼光谱数据转发给计算系统以供进一步的处理和分析。光学开关140、240、340a、340b、440a、440b、该至少一个辐射源152和/或检测器156可以通过有线接口(诸如通用串行总线(USB)、火线、串行(RS232)或并行接口)直接地耦合到控制器160，或者可以通过无线接口(诸如Wi-Fi、蓝牙或紫蜂(ZigBee))耦合到控制器160。
控制器160可以是基于专用集成电路(ASIC)、可编程阵列或可编程微控制器的专用设备。替代地，控制器160可以是控制和转换信号以用于在系统的部件和计算系统之间传输的接口。控制器160可以包括模数转换功能，以将来自检测器156的拉曼光谱信号转换为传输到计算系统的数字数据信号。
计算系统170可以包括CPU或处理器和相关联的存储器(包括RAM、ROM、易失性和非易失性存储器)，用于存储和执行程序以及存储数据。计算系统170可以包括用于读入、存储和显示从检测器156接收的拉曼光谱数据，执行拉曼光谱数据的分析和处理，以及用于将所接收的拉曼光谱数据与存储的拉曼光谱数据进行比较的程序。拉曼光谱数据可以以图形和表格的形式显示。
尽管本公开包括有限数量的实施例，但本领域技术人员在受益于本公开的同时，将理解可以构思出不脱离本公开的范围的其他实施例。

Claims (19)

1.一种拉曼光谱系统，包括：
光学开关，所述光学开关包括：
第一侧，所述第一侧具有泵入口和返回出口，以及
第二侧，所述第二侧具有多个泵出口和多个返回入口；
至少一个辐射源，所述至少一个辐射源光学地耦合到所述光学开关的所述泵入口；
检测器，所述检测器光学地耦合到所述光学开关的所述返回出口；
泵滤波器模块，所述泵滤波器模块光学地耦合在所述至少一个辐射源和所述光学开关的所述泵出口之间；
返回滤波器模块，所述返回滤波器模块光学地耦合在所述检测器和所述光学开关的所述返回入口之间；以及
多个探头，每一个探头都由至少一个激励光纤光学地连接到所述光学开关的所述多个泵出口中的至少一个，并且由至少一个发射光纤光学地耦合到所述光学开关的所述返回入口中的一个。
2.如权利要求1所述的光谱系统，其特征在于，所述光学开关包括泵光学开关和返回光学开关，其中，所述泵光学开关包括所述泵入口和所述多个泵出口，并且其中，所述返回光学开关包括所述多个返回入口和所述返回出口。
3.如权利要求1或2所述的光谱系统，其特征在于，所述泵滤波器模块包括设置在所述至少一个辐射源和所述光学开关的所述泵入口之间的外壳。
4.如权利要求1-3中任一项所述的光谱系统，其特征在于，所述返回滤波器模块包括设置在所述检测器和所述光学开关的所述返回出口之间的外壳。
5.如权利要求1-4中任一项所述的光谱系统，其特征在于，所述至少一个辐射源包括激光器。
6.如权利要求5所述的光谱系统，其特征在于，所述激光器具有在约200nm到约1500nm之间的输出波长。
7.如权利要求5或6所述的光谱系统，其特征在于，所述激光器具有在约670nm到约850nm之间的输出波长。
8.如权利要求1-7中任一项所述的光谱系统，其特征在于，所述泵滤波器模块包括设置在准直器和聚焦透镜之间的带通滤波器。
9.如权利要求8所述的光谱系统，其特征在于，所述泵滤波器模块进一步包括第二聚焦透镜，并且其中，所述准直器设置在所述带通滤波器和所述第二聚焦透镜之间。
10.如权利要求4所述的光谱系统，其特征在于，所述返回滤波器模块包括设置在准直器和聚焦透镜之间的长通滤波器。
11.如权利要求10所述的光谱系统，其特征在于，所述返回滤波器模块进一步包括第二聚焦透镜，并且其中，所述准直器设置在所述长通滤波器和所述第二聚焦透镜之间。
12.如权利要求1所述的光谱系统，包括光纤束，所述光纤束具有围绕所述至少一个激励光纤的圆周的多个所述发射光纤。
13.如权利要求12所述的光谱系统，其特征在于，所述光纤束包括2个或更多个发射光纤。
14.如权利要求12所述的光谱系统，其特征在于，所述光纤束包括在约2个和约10个之间的发射光纤。
15.如权利要求1-14中任一项所述的光谱系统，其特征在于，所述检测器包括基于电荷耦合器件(CCD)的传感器。
16.如权利要求1-15中任一项所述的光谱系统，进一步包括控制器。
17.如权利要求16所述的光谱系统，其特征在于，所述控制器将控制信号传送到所述光学开关，并且其中，响应于所述控制信号，所述光学开关(a)在所述泵入口和所述多个泵出口中的至少一个之间形成连接，或(b)在所述多个返回入口中的至少一个和所述返回出口之间形成连接。
18.如权利要求1-17中任一项所述的光谱系统，其特征在于，来自所述至少一个辐射源的辐射通过所述泵入口被递送到所述光学开关，并且进一步通过所述至少一个激励光纤中的一个被递送出所述多个泵出口中的一个到所述多个探头中的至少一个。
19.如权利要求18所述的光谱系统，其特征在于，由样品散射的辐射在所述多个探头中的一个中被收集，并且通过所述多个返回入口中的一个被递送到所述光学开关并且进一步被递送出所述返回出口到所述检测器。
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