CN116272387A - 超声洗脱结构及分离装置 - Google Patents

Abstract

一种超声洗脱结构，用于洗脱沉积于滤膜一侧的目标物，所述洗脱结构包括洗脱室和超声振动组件。所述洗脱室用于容置所述滤膜及洗脱液。所述超声振动组件连接所述洗脱室，所述超声振动组件用于给所述目标物、所述洗脱液及所述滤膜提供超声振动波，使得所述目标物从所述滤膜的一侧脱落并分散于所述洗脱液以形成目标物混悬液，所述超声振动波的频率为20～80kHz。本申请提供的超声洗脱结构具有对目标物的低破坏及高效率的洗脱功效。另，本申请还提供一种分离装置。

Description

超声洗脱结构及分离装置

技术领域

本申请涉及外泌体分离技术领域，具体地，涉及一种用于洗脱沉积于滤膜的外泌体的超声洗脱结构及分离装置。

背景技术

外泌体(Exosome)分离装置主要是基于尺寸排阻法将膜性囊泡(MembraneVesicles)截留在纳米滤膜表面并滤除污染物。当膜性囊泡的分离完成后，膜性囊泡会沉积在纳米滤膜表面形成一层相对稳定/稳固的类胶状物质，后续使用或者保存膜性囊泡时都需要将其重新分散至溶液中以形成混悬液。

针对将沉积在纳米滤膜上的膜性囊泡重新分散至溶液中，现有的做法主要是通过移液器吸取适量的溶液，然后使用一定量液体对纳米滤膜表面进行多次冲刷，以将膜性囊泡洗脱并形成混悬液。但是，利用流体的动能对附着在滤膜表面的膜性囊泡进行冲刷，不可避免的剪切力对囊泡会造成破坏，并且纳米滤膜的边界层的部分囊泡难以被冲刷下来，从而降低了膜性囊泡的回收质量及回收率。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种能够解决上述问题的超声洗脱结构。

另外，还有必要提供一种具有上述超声洗脱结构的分离装置。

一种超声洗脱结构，用于洗脱沉积于滤膜一侧的目标物，所述洗脱结构包括洗脱室和超声振动组件。所述洗脱室用于容置所述滤膜及洗脱液。所述超声振动组件连接所述洗脱室，所述超声振动组件用于给所述目标物、所述洗脱液及所述滤膜提供超声振动波，使得所述目标物从所述滤膜的一侧脱落并分散于所述洗脱液以形成目标物混悬液，所述超声振动波的频率为20～80kHz。

在一些可能的实施方式中，所述超声振动组件包括振荡器、振幅变换器以及换能器，所述振荡器用于连接外部电源并产生初级电信号，所述振幅变换器连接所述振荡器并用于将所述初级电信号转换为次级电信号，所述换能器连接所述振幅变换器并用于将所述次级电性号转换为机械振动以产生所述超声振动波。

在一些可能的实施方式中，所述超声振动组件还包括波导，所述波导连接所述换能器及所述洗脱室并以用于将所述超声振动波传导至所述洗脱室。

在一些可能的实施方式中，所述超声振动组件的数量为两个，两个所述超声振动组件分别向所述洗脱室连续或者交替提供对向传播的所述超声振动波。

在一些可能的实施方式中，还包括流入室，所述流入室包括第一部分及连接第一部分的第二部分，所述第一部分具有第一流道，所述第二部分具有第二流道，所述第二流道连通第一流道，所述第二流道的横截面宽度自远离所述第一流道的方向逐渐减少，所述第二流道远离所述第一流道的一端连通所述洗脱室。

在一些可能的实施方式中，所述流入室还包括导流漏管，导流漏管自第二流道朝向洗脱室内延伸形成，所述导流管贯穿设置有多个导流微孔，多个所述导流微孔用于供所述洗脱液流出。

在一些可能的实施方式中，还包括流出室，所述流出室包括引流管，所述引流管穿设所述洗脱室以将所述目标物混悬液引出至外界。

在一些可能的实施方式中，所述洗脱室包括第一底板、顶板以及多个侧板，所述第一底板和所述顶板相对间隔设置，多个所述侧板围设于所述第一底板和所述顶板之间以形成洗脱空间，所述第二流道连通所述洗脱空间的一端，所述引流管连通所述洗脱空间的另一端，所述洗脱空间用于容置所述滤膜和所述洗脱液。

在一些可能的实施方式中，所述顶板贯穿设有与所述第二流道相连通的第一开孔，所述第一开孔的内壁相对设置有两个第一卡槽，每一所述卡槽用于卡持一个所述滤膜的一端，所述第一底板设置有第二开孔，所述超声洗脱结构还包括第二底板，所述第二底板包括底板本体及凸出设置于所述底板本体的凸部，所述底板本体连接所述第一底板，所述凸部收容于所述第二开孔，所述凸部与所述第二开孔的内壁之间具有间隙，每一所述滤膜的背离所述第一开孔的另一端插入所述间隙。

一种分离装置，用于分离液体样本中的目标物并得到目标物混悬液，所述分离装置包括超声洗脱结构、滤膜、进液器、真空发生器以及控制装置。所述滤膜设置于所述洗脱室内。所述进液器，连通所述洗脱室，所述进液器用于向所述滤膜的一侧注入液体样本。所述真空发生器，连通所述洗脱室，所述真空发生器用于向所述滤膜的另一侧提供负压。所述控制装置电性连接所述超声振动组件以调整超声振动波的功率及频率，所述控制装置电性连接所述进液器以调整液体样本的流量，所述控制装置电性连接所述真空发生器以调整所述负压大小。

本申请提供的超声洗脱结构通过利用超声振动波作用于滤膜、目标物以及洗脱液，使得目标物可以从滤膜上洗脱，并均匀地分散于洗脱液中以形成目标物混悬液。整个洗脱过程避免了高速流体冲刷引入的剪切力破坏，最大限度保证了目标物的完整性。同时，利用超声振动洗脱在洗脱效率、耗时相当的情况下，极大减少了洗脱结构的复杂性和人员操作熟练度要求，提升了目标物洗脱的稳定性。

附图说明

图1为本申请第一实施例提供的超声洗脱结构的整体示意图。

图2为图1所示的超声洗脱结构的超声振动组件的连接框图。

图3为图1所示的超声洗脱结构沿线III-III的截面示意图。

图4为本申请第二实施例提供的超声洗脱结构的截面示意图。

图5为本申请第一实施例提供的分离装置的连接框图。

图6为图5所示的分离装置的使用方法的流程图。

主要元件符号说明

超声洗脱结构 100、100’

流入室 10

第一部分 11

第一流道 111

第二部分 12

第二流道 121

第一卡持板 13

第一卡槽 14

导流漏管 15

洗脱室 20

第一底板 21

顶板 22

第一开孔 221

第一卡槽 221a

侧板 23

洗脱空间 24

芯部 241

第一侧部 242

第二侧部 243

第二卡持板 25

第三卡持板 26

第二卡槽 27

第二底板 28

底板本体 281

凸部 282

超声振动组件 30

振荡器 31

振幅变换器 32

换能器 33

波导 34

流出室 40

第一引流管 41

第二引流管 42

洗脱液 50

分离装置 300

真空发生器 70

进液器 80

控制装置 90

滤膜 200

目标物 201

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。

具体实施方式

下面将结合本申请的优选实施方式及实施例对本申请的技术方案进行描述。需要说明的是，当一个单元被描述为“连接”于另一个单元，它可以是直接连接到另一个单元或者可能同时存在居中单元，它可以是物理连接或者能量连接。当一个单元被描述为“设置于”另一个单元，它可以是直接设置在另一个单元上或者可能同时存在居中单元。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本申请的说明书中所使用的元件或设备的名称只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

请参见图1、图2和图3，本申请第一实施例提供一种超声洗脱结构100，该超声洗脱结构100可以用于洗脱沉积于滤膜200一侧的目标物201。其中，滤膜200为孔径为纳米级的滤膜，具体可为阳极氧化铝膜、醋酸纤维膜、聚乙烯膜、聚丙烯膜或聚苯乙烯膜中的任意一种。目标物201为膜性囊泡，直径为30-150纳米。目标物201由于尺寸较大而无法穿过滤膜200的微孔并沉积于滤膜200的一侧。

请参见图1、图2以及图3，超声洗脱结构100包括流入室10、洗脱室20、超声振动组件30以及流出室40。其中，流入室10和流出室40分别连通于洗脱室20的相对两端，超声振动组件30大致连接洗脱室20的芯部分。洗脱室20用于容置沉积有目标物201的滤膜200。流入室10用于给洗脱室20引入洗脱液50，洗脱液50可流过滤膜200并与目标物201相接触。超声振动组件30用于朝滤膜200及目标物201发射频率为20～80kHz的超声振动波，使得目标物201从滤膜200上脱落并分散于洗脱液50中，形成目标物混悬液(未标示)。流出室40用于将目标物混悬液从洗脱室20中排出至外界以供后续分离提纯工序使用。其中，洗脱液50包括磷酸盐缓冲液、生理盐水、三羟甲基氨基甲烷溶液等。

超声振动组件30发射超声振动波使得目标物201从滤膜200上脱落的原理在于：当超声振动波在流经滤膜200的洗脱液50中传播时，会引起洗脱液50中的液体分子发生振动，这些液体分子的振动会在洗脱液50中形成压缩波和稀疏波。当压缩波达到一定强度时，它会使液体分子的压力超过了环境气压，从而在液体中形成一个小型气泡。这个小型气泡在压缩波的作用下会不断地膨胀和收缩并可产生涡流和剪切力，这些涡流和剪切力可以将目标物201从滤膜200上剥离。此外，由于气泡的破裂和产生速度较快，所以产生的能量密度也较高，这就使得超声振动波可以在很短的时间内完成目标物201的洗脱工作。

流入室10包括第一部分11及连接第一部分11的第二部分12。第一部分11大致呈方管状，第一部分11具有第一流道111。第二部分12大致呈喇叭状，第二部分12具有第二流道121。第二流道121连通第一流道111，第二流道121的横截面宽度自远离第一流道111方向逐渐减少，第二流道121远离第一流道111的一端连通洗脱室20。洗脱液50可以由第一部分11流向第二部分12，且由于第二部分12的截面宽度逐渐减少，洗脱液50在流经第二部分12时不易发生飞溅或者湍流，使得洗脱液50平稳地流入洗脱室20内，进而可以减低对目标物201的冲刷力破坏。

洗脱室20包括第一底板21、顶板22以及多个侧板23。第一底板21和顶板22相对间隔设置，多个侧板23围设于第一底板21和顶板22之间以形成洗脱空间24。洗脱空间24可用于容置滤膜200。具体地，顶板22贯穿设置有第一开孔221，第一开孔221与第二流道121相连通。第一开孔221的内壁相对设置有两个第一卡槽221a，两个滤膜200相对间隔设置于洗脱空间24内，且两个滤膜200的边缘部分分别卡设于两个第一卡槽221a内。两个滤膜200将洗脱空间24划分为三个部分，即，芯部241、第一侧部242以及第二侧部243，芯部241位于两个滤膜200之间，第一侧部242位于一个滤膜200朝向侧板23的一侧，且该滤膜200朝向第一侧部242的一侧沉积有目标物201，第二侧部243位于另一个滤膜200朝向侧板23的一侧，且滤膜200朝向第二侧部243的一侧沉积有目标物201。具体工作时，洗脱液50自第二流道121流入第一开孔221，继而由第一开孔221的内壁分别向下流经每一滤膜200未沉积有目标物201的一侧，部分洗脱液50可以横向穿过滤膜200并洗脱目标物201，从而有助于目标物201的洗脱进行。

超声振动组件30包括振荡器31、振幅变换器32、换能器33以及波导34。振荡器31为压电陶瓷，振荡器31连接外部电源，振荡器31可以将电能转换为初级电信号(高频低振幅信号)。振幅变换器32为半波振幅变换器，振幅变换器32连接振荡器31，振幅变换器32用于将初级电信号转换次级电信号(低频高振幅信号)。换能器33为压电换能器，换能器33连接振幅变换器32，换能器33用于将次级电信号转换为机械振动并产生超声振动波。波导34包括多个立方体波导管，波导34连接换能器33并将超声振动波传导至第一侧部242和第二侧部243。具体地，波导34穿过侧板23并进入第一侧部242或者第二侧部243，从而将超声振动波引导至洗脱空间24内。工作时，超声振动波朝向滤膜200、目标物201以及洗脱液50发射，从而将目标物201快速地从滤膜200上洗脱，继而形成目标物混悬液。同时，超声振动波也可以朝向目标物混悬液发射，使得目标物201均匀地分散于目标物混悬液中，该均匀地目标物混悬液可以应用于后续的分离提纯作业操作。可以理解地，在本申请的其他实施例中，超声振动组件30也可以由线性马达、转子马达等替代等其他可以产生超声的元器件。

流出室40包括第一引流管41和第二引流管42。第一引流管41穿设于洗脱空间24并连通第一侧部242，从而将第一侧部242中的目标物混悬液引出至外界。第二引流管42穿设于洗脱空间24并连通第二侧部243，从而将第二侧部243中的目标物混悬液引出至外界。具体地，第一引流管41和第二引流管42大致相对设置于洗脱室20的底部，从而便于将洗脱空间24底部的目标物混悬液引出。

本申请提供的超声洗脱结构100通过利用超声振动波作用于滤膜200、目标物201以及洗脱液50，使得目标物201可以从滤膜200上洗脱，并均匀地分散于洗脱液50中以形成目标物混悬液。整个洗脱过程避免了高速流体冲刷引入的剪切力破坏，最大限度保证了目标物的完整性。同时，利用超声振动洗脱在洗脱效率、耗时相当的情况下，极大减少了洗脱结构的复杂性和人员操作熟练度要求，提升了洗脱的稳定性。

请参见图1和图2，在本实施例中，流入室10与洗脱室20通过卡接结构实现连接。具体地，流入室10还包括两个第一卡持板13，两个第一卡持板13间隔设置于第二部分12的外侧以形成第一卡槽14。洗脱室20还包括第二卡持板25和第三卡持板26，第三卡持板26与顶板22间隔设置，第二卡持板25连接于第三卡持板26和顶板22之间以形成第二卡槽27。一个第一卡持板13设置于第二卡槽27内，第三卡持板26设置于第一卡槽14内。如此，流入室10和洗脱室20实现卡接。

请参见图1和图2，在本实施例中，超声洗脱结构100还包括第二底板28，第二底板28卡设于第一底板21背离洗脱空间24的一侧。具体地，第一底板21对应芯部241设置有第二开孔211，第二底板28包括底板本体281及凸出设置于底板本体281的凸部282。凸部282可收容于第二开孔211，且凸部282与第二开孔211的内壁之间具有间隙(未标示)，两个滤膜200的背离第一开孔221的一端分别插入间隙内。如此，两个滤膜200固定卡持于洗脱室20内。

在本实施例中，超声振动组件30的数量为两个，两个超声振动组件30所产生的超声振动波的振动频率均为20～80kHz，在一个超声振动波周期内，两个超声振动波的占空比均为10％-90％，通过控制两个超声振动波的振动频率和占空比在上述范围内，可以直接影响实际输出的总功率大小，从而影响综合的振动效果及对目标颗粒的损坏程度。在这一频率范围内和占空比范围内，实际输出的总功率适于控制超声振动波通过波导34传递至内部的两个滤膜200，可以使两个滤膜200以一定的振幅振动，便于沉积于过滤膜200上的目标物201更快速地分离下来。同时，在这一频率范围内和占空比范围内的超声振动波能够扰动目标物混悬液产生声流效应，使聚集在一起的颗粒分散，防止堵塞过滤膜、提高过滤效率。另外，在上述频率和占空比范围内的超声振动波输出的总功率适中，不会对目标物201造成损坏，从而提高了后续分离提纯的品质。可以理解地，在本申请的其他实施例中，超声振动组件30的数量还可以是一个、三个及以上，本领域技术人员可以依据目标物201的类型以及目标物混悬液的类型等因素设计两个超声振动组件30所产生的超声振动波的振动频率不在20～80kHz的范围内，并设计两个超声振动波的占空比不在10％-90％的范围内。

请参见图1和图3，在本实施例中，每一超声振动组件30包括四个波导34，四个波导34设置于第一侧部242内或者第二侧部243内，且设置于第一侧部242的四个波导34与设置于第二侧部243的四个波导34相对设置。如此，从相对设置的波导34发射的两个超声振动波的传播方向相反，同时，由于将两个超声振动波的振动频率和占空比相近，可以使分超声洗脱结构100在振动过程中具有更好的静态稳定性。同时，第一侧部242内的目标物混悬液或者第二侧部243内的目标物混悬液发生的声流效应相近，可以更大程度地使两个超声振动波的能量叠加形成对目标物201的共振，能进一步提高目标物201在目标物混悬液中的分散程度。

在本实施例中，两个超声振动组件30同时连续产生频率均为20～80kHz，占空比均为10％-90％的超声振动波。可以理解地，在本申请的其他实施例中，两个超声振动组件30可以交替产生超声振动波，或者两个超声振动组件30可以间歇性地产生超声振动波。如此，两个超声振动组件30可以形成多个振动模式，从而适用于不同的目标物201的振脱与分散。

请参见图3以及图4，本申请第二实施例提供一种超声洗脱结构100’，与第一实施例的不同之处在于：(一)第一部分11的第一流道111的截面宽度与第二部分12的第二流道121的截面宽度大致相同。(二)超声振动组件30与洗脱室20没有物理连接，超声振动组件30发射的超声振动波可以穿透洗脱室20并进入到洗脱室20内。(三)流入室10还包括导流漏管15，导流漏管15自第二流道121朝向洗脱室20内的芯部241延伸形成，该导流漏管15贯穿设置有多个导流微孔(未标示)，洗脱液50可以通过多个导流微孔流向滤膜200。工作时，进入洗脱室20内的超声振动波可以与该导流漏管15作用，使得导流漏管15发生振动，从而有利于减少导流微孔的堵塞。

相较于第一实施例，第二实施例提供的超声洗脱结构100’无需物理连接超声振动组件30和洗脱室20，使得超声洗脱结构100’的结构更加简单且便于维护。同时，导流漏管15的振动有利于减少导流微孔堵塞情况的发生，可提高超声洗脱结构100’的耐用性。

请一并参见图1、图2、图3以及图5，本申请第一实施例还提供一种分离装置300，该分离装置300用于对液体样本中不同尺寸的颗粒进行多级分离提纯，以得到多种特定尺寸的目标物201的目标物混悬液。该液体样本可为人体血浆、血清、脑髓液、唾液、尿液以及泪液等。该分离装置300包括上述超声洗脱结构100、设置于超声洗脱结构100的滤膜200、连通超声洗脱结构100的进液器80和真空发生器70、以及电性连接进液器80、真空发生器70和超声振动组件30的控制装置90。其中，进液器80用于向流出室40的第一引流管41和第二引流管42内注入液体样本(未标示)。真空发生器70连通流入室10的第一部分11并在洗脱室20造成负压，使得液体样本流进滤膜200而被过滤，目标物201被截留在滤膜200的一侧。控制装置90用于控制真空发生器70和进液器80，以调整洗脱室20内的负压大小以及液体样本的注入量。其中，该分离装置300可以实现将目标物201从液体样本中分离，然后将该目标物201从滤膜200上洗脱。其中，进液器80为吸入式进液器或推入式进液器。真空发生器70可为真空泵、隔膜泵、蠕动泵、注射器、喷管型真空发生器中的任意一种。控制装置90为可编程逻辑控制器。

请一并参见图1、图2、图3、图5以及图6，本申请第一实施例还提供一种分离装置300的使用方法，具体包括步骤：

S1:提供分离装置300和液体样本，通过进液器80向第一引流管41和第二引流管42内注入液体样本，液体样本流入洗脱室20的第一侧部242及第二侧部243。

S2:真空发生器70从流入室10的第一部分11抽吸，从而在洗脱室20内产生负压，液体样本经过滤膜200流出第一开孔221。同时，液体样本中的目标物201被滤膜200截留而沉积在滤膜200朝向背向侧板23的一侧，直至液体样本全部过滤，真空发生器70停止抽吸。

S3:向流入室10的第一部分11加入洗脱液50，洗脱液50由第一开孔221进入洗脱空间24并淋洗滤膜200。

S4:启动超声振动组件30，使得目标物201被洗脱并分散于洗脱液50，形成目标物混悬液，该目标物混选液可以由流出室40的第一引流管41和第二引流管42流出至外界并供后续分离工序使用。

以上说明仅仅是对本发明一种优化的具体实施方式，但在实际的应用过程中不能仅仅局限于这种实施方式。对本领域的普通技术人员来说，根据本发明的技术构思做出的其他变形和改变，都应该属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种超声洗脱结构，用于通过洗脱液洗脱沉积于滤膜一侧的目标物，其特征在于，所述洗脱结构包括：

洗脱室，用于容置所述滤膜及洗脱液；

超声振动组件，连接所述洗脱室，所述超声振动组件用于提供超声振动波作用于所述目标物、所述洗脱液及所述滤膜，使得所述目标物从所述滤膜的一侧脱落并分散于所述洗脱液，所述超声振动波的频率为20～80kHz。

2.如权利要求1所述的超声洗脱结构，其特征在于，所述超声振动组件包括振荡器、振幅变换器以及换能器，所述振荡器用于连接外部电源并产生初级电信号，所述振幅变换器连接所述振荡器并用于将所述初级电信号转换为次级电信号，所述换能器连接所述振幅变换器并用于将所述次级电信号转换为机械振动以产生所述超声振动波。

3.如权利要求2所述的超声洗脱结构，其特征在于，所述超声振动组件还包括波导，所述波导连接所述换能器及所述洗脱室并用于将所述超声振动波传导至所述洗脱室。

4.如权利要求1所述的超声洗脱结构，其特征在于，所述超声振动组件的数量为两个，两个所述超声振动组件分别向所述洗脱室连续或者交替提供对向传播的所述超声振动波。

5.如权利要求1所述的超声洗脱结构，其特征在于，所述超声洗脱结构还包括流入室，所述流入室包括第一部分及连接第一部分的第二部分，所述第一部分具有第一流道，所述第二部分具有第二流道，所述第二流道连通第一流道，所述第二流道的横截面宽度自远离所述第一流道的方向逐渐减少，所述第二流道远离所述第一流道的一端连通所述洗脱室。

6.如权利要求5所述的超声洗脱结构，其特征在于，所述流入室还包括导流漏管，导流漏管自第二流道朝向洗脱室内延伸形成，所述导流管贯穿设置有多个导流微孔，多个所述导流微孔用于供所述洗脱液流出。

7.如权利要求5所述的超声洗脱结构，其特征在于，所述超声洗脱结构还包括流出室，所述流出室包括引流管，所述引流管穿设所述洗脱室以将分散于所述洗脱液中的所述目标物引出至外界。

8.如权利要求7所述的超声洗脱结构，其特征在于，所述洗脱室包括第一底板、顶板以及多个侧板，所述第一底板和所述顶板相对间隔设置，多个所述侧板围设于所述第一底板和所述顶板之间以形成洗脱空间，所述第二流道连通所述洗脱空间的一端，所述引流管连通所述洗脱空间的另一端，所述洗脱空间用于容置所述滤膜和所述洗脱液。

9.如权利要求8所述的超声洗脱结构，其特征在于，所述顶板贯穿设有与所述第二流道相连通的第一开孔，所述第一开孔的内壁相对设置有两个第一卡槽，每一所述卡槽用于卡持一个所述滤膜的一端，所述第一底板设置有第二开孔，所述超声洗脱结构还包括第二底板，所述第二底板包括底板本体及凸出设置于所述底板本体的凸部，所述底板本体连接所述第一底板，所述凸部收容于所述第二开孔，所述凸部与所述第二开孔的内壁之间具有间隙，每一所述滤膜的背离所述第一开孔的另一端插入所述间隙。

10.一种分离装置，用于分离液体样本中的目标物并得到目标物混悬液，其特征在于，所述分离装置包括：

如权利要求1至9中任意一项所述的超声洗脱结构；

滤膜，设置于所述洗脱室内；

进液器，连通所述洗脱室，所述进液器用于向所述滤膜的一侧注入液体样本；

真空发生器，连通所述洗脱室，所述真空发生器用于向所述滤膜的另一侧提供负压；

控制装置，电性连接所述超声振动组件以调整超声振动波的功率及频率，电性连接所述进液器以调整液体样本的流量，电性连接所述真空发生器以调整所述负压大小。

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