CN207540936U - 表面张力测定仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种表面张力测定仪，包括：样品室(1)，容纳待测液体(12)和被待测液体(12)包围的气泡(13，13')；图像采集装置(2)，采集所述气泡(13，13')在不同压缩比下的图像；图像处理装置(3)，与所述图像采集装置(2)信号连接，测量所述气泡(13，13')在预设压缩比下的图像的尺寸，并根据所述尺寸计算预设压缩比对应的表面张力。本实用新型相比于现有读数显微镜的观察测量方法，图像处理装置通过图像处理来实现对气泡图像的尺寸测量，不仅对待测液体的类型限制较少，而且在气泡的各种尺寸的测量上也更加准确，进而提高了计算出的表面张力的测量准确性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种物理参数测定技术，尤其涉及一种表面张力测定仪。
背景技术
表面张力是表面活性剂物理参数，是肺表面活性物质重要生理功能--表面活性的关键参数。表面张力的测定、尤其是随压力变化的极低表面张力的测定对于肺表面活性物质制剂和肺的生理功能的研究极为重要。
目前，表面张力测定方案主要有表面天平法、搏动泡式表面张力仪和可控闭泡式表面张力仪等。表面天平法操作复杂，受待测液表面温度、湿度影响大，需样品量大、易渗漏，难以测量低的表面张力。搏动泡式表面张力仪操作简单省时，需样品量小，测量温度较易控制，小泡伸缩模拟肺泡的呼吸，比较实用，应用普遍，但由于气泡与放置样品的毛细管间存在通路，待测液可能会渗漏，且气泡与工作液体接触会造成气泡表面待测样品的稀释和损失，样品在气泡表面分布均匀的时间长，影响测试精度。
可控闭泡式表面张力仪由恒温水槽、待测液体环绕气泡的样品室、读数显微镜、加压装置、测压装置等组成，其最大优点是以琼脂凝胶为支撑，密闭的小泡被待测液体包围，完全避免了待测液的渗漏，小泡压缩后可很快达到平衡，是目前性能最好的表面张力测定方法，操作比较简便。但是，这种方法仍存在以下缺陷：
1、在待测液体为混悬液(多数肺功能生理标本和肺表面活性制剂均为混悬液)时，通过读数显微镜无法准确测量小泡的直径和高度，影响测试准确度。
2、加压可操作性差，不能实现更精细粒度的压力调整，并且不能实时、完整地记录小泡随压力变化的形态、体积、表面积的变化情况。
实用新型内容
本实用新型的目的是提出一种表面张力测定仪，能够提升表面张力测量的准确性。
为实现上述目的，本实用新型提供了一种表面张力测定仪，包括：
样品室，容纳待测液体和被待测液体包围的气泡；
图像采集装置，采集所述气泡在不同压缩比下的图像；
图像处理装置，与所述图像采集装置信号连接，测量所述气泡在预设压缩比下的图像的尺寸，并根据所述尺寸计算预设压缩比对应的表面张力。
进一步地，还包括：加压装置，与所述样品室可操作的连接，对所述样品室内的待测液体进行加压，以调整所述气泡的压缩比。
进一步地，所述加压装置包括：气源和调压阀，所述气源经由所述调压阀与所述样品室连通，并通过所述调压阀控制所述气源对所述样品室的加压量。
进一步地，所述加压装置还包括稳压阀，用于稳定供应给所述样品室的加压量。
进一步地，所述图像采集装置包括可自动调焦的摄像头，能够通过自动调整焦距来采集所述气泡的清晰图像。
进一步地，所述图像采集装置还包括可移动支架，所述摄像头安装在所述可移动支架上，能够自动调整所述摄像头相对于所述样品室的位置。
进一步地，所述样本室包括封闭注射器，在所述封闭注射器中容纳待测液体，并在待测液体与所述封闭注射器的顶部之间设有琼脂凝胶支撑面，所述气泡位于所述琼脂凝胶支撑面的下方，并与所述琼脂凝胶支撑面通过待测液体进行分隔。
进一步地，还包括与所述样品室的下端可操作的连接的加压装置，在所述样本室内所述气泡的下方或者在所述样本室与所述加压装置之间还设有半透膜。
进一步地，所述样本室具有多种不同装量规格，能够根据待测液体的样本量进行对应装量规格的选择
进一步地，所述图像处理装置包括：
气泡尺寸测量单元，测量所述气泡在预设压缩比下的图像的直径尺寸和高度尺寸；
表面张力计算单元，根据所述直径尺寸和高度尺寸计算预设压缩比对应的表面张力。
进一步地，还包括：加压装置，与所述样品室可操作的连接，对所述样品室内的待测液体进行加压，以调整所述气泡的压缩比；
所述图像处理装置还包括：
压缩比计算单元，基于积分切割数学模型根据所述直径尺寸和高度尺寸计算所述气泡的当前压缩比；
调压单元，根据所述气泡的当前压缩比调节所述加压装置的加压量，以使所述气泡的压缩比向预设压缩比调整。
进一步地，还包括以下至少一个：
保存单元，按照所述气泡的图像采集时间顺序对所述气泡的图像进行保存；
导出单元，将所述图像采集装置采集的气泡图像、所述图像处理装置的测量数据以及计算结果导出。
基于上述技术方案，本实用新型通过图像采集装置采集样本室内待测液体所包围的气泡在不同压缩比下的图像，并通过图像处理装置测量气泡在预设压缩比下的图像的尺寸，再根据该尺寸计算预设压缩比对应的表面张力。相比于现有读数显微镜的观察测量方法，图像处理装置通过图像处理来实现对气泡图像的尺寸测量，不仅对待测液体的类型限制较少，而且在气泡的各种尺寸的测量上也更加准确，进而提高了计算出的表面张力的测量准确性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1为本实用新型表面张力测定仪的一实施例的示意性功能框图。
图2为本实用新型表面张力测定仪的另一实施例的示意性功能框图。
图3为本实用新型表面张力测定仪实施例的样品室处于未加压状态的示意性结构图。
图4为本实用新型表面张力测定仪实施例的样品室处于加压状态的示意性结构图。
图5为本实用新型表面张力测定仪实施例中待测液体在常压下的气泡图像的测量数据示意图。
图6为本实用新型表面张力测定仪实施例中待测液体在加压下的气泡图像的测量数据示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，为本实用新型表面张力测定仪的一实施例的示意性功能框图。结合图3-图6，本实施例的表面张力测定仪包括：样品室1、图像采集装置2和图像处理装置3。其中，样品室1能够容纳待测液体12和被待测液体12包围的气泡13、13'。举例来说，样本室1可以包括封闭注射器11，在封闭注射器11中容纳有待测液体12。为了避免待测液体12的渗漏，可以在待测液体12与封闭注射器11的顶部之间设置琼脂凝胶支撑面(图中未示出)。气泡13、13'位于琼脂凝胶支撑面的下方，并与琼脂凝胶支撑面通过待测液体进行分隔。在琼脂凝胶的支撑以及被待测液体12的包围下，避免了待测液的渗漏以及气泡的扩展和气泡周边样品的稀释。
样本室1可采用单一的装量规格，在另一个实施例中，也可以具有多种不同的装量规格，使用者可以根据待测液体12的样本量来选择对应装量规格的样本室1，例如1ml、2ml、5ml、10ml等。在适用的待测液体12中，可以包括各种肺表面活性物质(PulmonarySurfactant，简称PS)，以用来实现PS制剂体外表面活性的测量，以及实现一些PS缺乏动物模型的肺样本的表面张力测量，或者不同生理状态的人的肺功能样本的测量。此外，本实用新型表面张力测定仪还可以应用于各类需要测量表面张力的待测液体。
参考图2所示的另一实施例，样本室1可以设置在恒温机构4(例如恒温水槽等)中，以保持样本室1内待测液体的恒温。图2中恒温机构还与搅拌装置6(例如循环水泵等)和加热装置7(例如加热管等)连接，利用加热装置7对恒温机构内的液态介质进行加热，并利用搅拌装置6使得整个恒温机构4温度均匀。通过对恒温机构4的温度测量和控制，可以使样品室1的温度误差维持在预设范围内(例如37±0.2℃等)。样品室1的温度可以在控制面板上进行显示和设置。
在图1实施例中，图像采集装置2用于采集所述气泡13、13'在不同压缩比(即气泡被压缩到原有体积的百分比)下的图像。相比于现有的通过读数显微镜进行目测的方式，本实施例中图像采集装置2所采集到的气泡图像更便于计算机进行处理。参考图2所示的另一实施例，图像采集装置2可以包括可自动调焦的摄像头21，能够通过自动调整焦距来采集气泡13、13'的清晰图像。这里的图像采集装置2可选择高倍数的摄像头21，以便能够获得更多的气泡图像细节。并且，为了使气泡图像更加清晰，可以利用摄像头21的自动调焦功能进行焦距调整，以便获得待测液体及气泡的清晰图像，为后续的尺寸测量和参数计算的精准性提供基础。在图2中，恒温机构4还可以连接照明装置5，利用照明装置5为摄像头21提供环境光，以使待测液体和气泡的拍摄图像更加清晰。
摄像头21相对于样品室1的位置可以固定，也可以根据需要进行调整。参考图2，在图像采集装置2中还可以包括可移动支架22，例如可移动调节的三坐标支架。摄像头21可以安装在可移动支架22上，图像采集装置2能够根据拍摄需要自动调整摄像头21相对于样品室1的位置。
在图1实施例中，图像处理装置3与所述图像采集装置2信号连接，用于测量所述气泡13、13'在预设压缩比下的图像的尺寸，并根据所述尺寸计算预设压缩比对应的表面张力。图像处理装置3在获得了气泡图像后，可以通过计算机的标尺来准确测量待测液体12环绕气泡13、13'的尺寸，例如气泡直径D和气泡高度H。根据这些尺寸可以计算出气泡在预设压缩比对应的表面张力，这里的预设压缩比可根据待测液体进行选择。
对于PS来说，其主要生理作用就是降低肺泡气液界面的表面张力，其表面张力随肺泡表面积(或体积)大小的变化而改变。而最低表面张力是肺表面活性物质特有概念，是表征肺表面活性物质与肺生理功能关系的专有指标，也就是说最低表面张力与其生理活性直接相关。因此需模拟肺泡收缩，了解气泡压缩、表面积缩小时能达到的最低表面张力。例如在肺泡被压缩到肺总量的40％时，肺泡表面张力近于零，因此当本实施例的表面张力测定仪在进行表面张力的测定时，可以将待测液体12围绕的气泡压缩比控制在40％，此时通过测量到气泡的尺寸所计算得到的表面张力即为该预设压缩比(40％)对应的最低表面张力。对于其他待测液体来说，预设压缩比也可以是其它数值，例如20％、60％等。
现有的表面张力测定方案通常是在不加压的情况进行，此时气泡的体积和表面积没有改变。但为了了解PS的表面特性，模拟肺泡表面PS的特征，要在气泡表面积或体积改变的情况下观察表面张力的改变，因此作为药物质量控制及肺功能样本测定，需要了解气泡在压缩到一定程度时能够达到的最低表面张力。这样，为了实现样品室1内气泡的压缩，参考图2所示的另一个实施例，表面张力测定仪还可以包括加压装置8，与所述样品室1可操作的连接，对所述样品室1内的待测液体12进行加压，以调整所述气泡13、13'的压缩比。加压装置8可以通过压缩气体加压，并根据需要调节压力大小，从而能够准确表征待测样品的生理功能。
在图2中，加压装置8可以包括气源81和调压阀82。其中，气源81经由调压阀82与样品室1连通，并通过调压阀82控制气源81对样品室1的加压量。气源81可由压缩气瓶内的压缩空气或者氮气提供，调压阀82能够实现更加精准的加压和减压的控制，可操作性更强，而且能够实现更精细粒度的压力调整，进而能够实现小泡随压力变化的形态、体积、表面积的变化情况的实时记录，获得更完整的记录结果。加压装置8还可以包括稳压阀83，用于稳定供应给所述样品室1的加压量，以便使得每次测量或测量的不同样品、不同批次同一样品时都在相同的压力情况下测定，数据更具有可比性。在加压装置8中还可以包括压力检测显示装置84，能够检测加压装置8的压力并进行显示。
在另一个实施例中，样品室1的下端可以与加压装置8可操作性的连接。表面张力测定仪还可以包括半透膜，通过半透膜进行待测液体12的阻隔，既能传导压力，又能防止待测液体12的活性组分渗漏到注射器外。而且，半透膜可以更靠近气泡的位置，例如在样本室1内气泡13、13'的下方或者在样本室1与加压装置8之间进行设置，以便在避免样品被稀释的同时，能够实现标本量更小的生理样品的测量。
图像处理装置3可以通过计算机实现，并能够通过多个硬件或软件实现。例如图像处理装置3可以具体包括：气泡尺寸测量单元，测量所述气泡13、13'在预设压缩比下的图像的直径尺寸D和高度尺寸H；和表面张力计算单元，根据所述直径尺寸D和高度尺寸H计算预设压缩比对应的表面张力。
对于表面张力的计算，根据J.D.Malcolm和C.D.Elliott发表的文章“Interfacialtension from height and diameter of a single profile drop or captive bubble”可知，在溶液中形成的对称气泡，当其曲率半径比膜厚度足够大时，跨壁压ΔP和表面张力r可由Laplace方程表示为：
r×(1/R1－1/R2)＝ΔP，其中R1，R2为曲率半径。
J.D.Malcolm和C.D.Elliot对封闭气泡用以上方程经过龙格库塔方法处理，得到以下结果：
r＝Δρ×g×[H/G(H/D)]2
其中，Δρ为气泡内外物质的密度差，g为重力加速度，
G(H/D)＝C1+C2×(H/D)1+C3×(H/D)2+C4×(H/D)3+C5×(H/D)4
其中，C1～C5为系数，H为气泡高度，D为气泡直径。
C1～C5与D/H范围有关，如下表所示，D/H在不同范围内，G(H/D)与测量数据之间的偏差也不同，均能满足肺表面活性剂类药品及肺生理功能标本表面张力测定的要求。计算时可根据具体实验需要选择合适的条件范围。
| C1 | C2 | C3 | C4 | C5 | D/H | 均差，％ |
| 1.86519 | 2.807066 | -9.430927 | 8.669726 | -3.6606 | 1.14－10.23 | 0.041 |
| 1.79559 | 3.44148 | -11.38556 | 11.13387 | -4.7502 | 1.14－6.60 | 0.028 |
| 2.11500 | 0.46986 | -2.315248 | 0 | 0 | 1.14－6.60 | 0.142 |
| 1.37436 | 6.52959 | -19.47756 | 20.15582 | -8.3783 | 1.14－3.10 | 0.024 |
| 2.35019 | -0.5878 | -0.852229 | -0.63065 | 0 | 1.14－3.10 | 0.080 |
| 2.22448 | 0.09538 | -2.01974 | 0 | 0 | 1.14－3.10 | 0.091 |
在此基础上，为了精准地控制样本室的加压效果，在另一个实施例中，所述图像处理装置3还包括压缩比计算单元和调压单元。其中，压缩比计算单元可以基于积分切割数学模型根据直径尺寸和高度尺寸计算气泡13、13'的当前压缩比。这种基于积分切割数学模型的计算方式是基于清晰图像中气泡与待测液体相接的部位进行积分切割，并进一步计算得出的体积、表面积以及压缩比，较之现有较为粗糙的计算模型更加精确。调压单元用于根据所述气泡13、13'的当前压缩比调节所述加压装置8的加压量，以使所述气泡13、13'的压缩比向预设压缩比调整。调压单元可以通过多次加压泄压的过程来使不同加压量测得的压缩比逐渐趋近预设压缩比。
在另一个实施例中，还可以在表面张力测定仪中进一步包括保存单元、导出单元中的至少一个。其中，保存单元可以按照所述气泡13、13'的图像采集时间顺序对所述气泡13、13'的图像进行保存。对应了图像采集时间的气泡图像可以在保存后作为原始数据可供追溯，以符合原始数据真实性和完整性的要求。导出单元可以根据需要将图像采集装置2采集的气泡13、13'图像、所述图像处理装置3的测量数据以及计算结果导出。
下面结合图2所示的表面张力测定仪实施例对表面张力的测定过程实例进行说明。
将待测液体的样品稀释到合适的浓度，并开启表面张力测定仪、加热装置、搅拌装置等，同时启动实现图像处理装置的计算机，将摄像头与计算机通过适合的接口进行连接。
根据待测样品的样品量选择表面张力测定仪可用的装量规格，并且配制适宜浓度的琼脂溶液，在加热并溶解后取出适量注入样品室。作为样品室的注射器口朝上并保持平整，待琼脂慢慢冷却凝固，在琼脂凝固后，取待测样品注入样品室，并留出一个大小适中的气泡(如图3所示的非加压状态)。
将装有三通的细管中加满待测液体，并与样品室连接好，倒置放入恒温机构，然后关紧各阀门，打开三通、气源，并通过调压阀调整压力，准备测定。等到恒温机构被加热到预设温度时，打开照明装置，此时摄像头配合可移动支架可以调节摄像头的焦距，使得气泡清晰可见。将预设长度(例如1mm等)对应的像素作为标尺，标定并保存，然后拍照采集图像，并在计算机中自动测量气泡高度和气泡直径(参见图5所示的气泡高度2.836毫米和气泡直径5.135毫米)。
开始均匀加压，然后排空，再次加压，排空，重复这个过程以使气泡达到预设压缩比(例如40％)。在每次加压时，都进行拍照、测量，并计算气泡的压缩比。调压阀可以根据每次加压时的气泡压缩比与预设压缩比之间的差距进行加压量的调整，通过一次或者多次的调节从而获得了对应于预设压缩比的加压量(参见图6所示的气泡高度1.358毫米和气泡直径4.866毫米)。在预设压缩比下，拍照、测量气泡的尺寸，并代入前述公式计算出表面张力。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。
Claims (12)
1.一种表面张力测定仪，其特征在于，包括：
样品室(1)，容纳待测液体(12)和被待测液体(12)包围的气泡(13，13')；
图像采集装置(2)，采集所述气泡(13，13')在不同压缩比下的图像；
图像处理装置(3)，与所述图像采集装置(2)信号连接，测量所述气泡(13，13')在预设压缩比下的图像的尺寸，并根据所述尺寸计算预设压缩比对应的表面张力。
2.根据权利要求1所述的表面张力测定仪，其特征在于，还包括：加压装置(8)，与所述样品室(1)可操作的连接，对所述样品室(1)内的待测液体(12)进行加压，以调整所述气泡(13，13')的压缩比。
3.根据权利要求2所述的表面张力测定仪，其特征在于，所述加压装置(8)包括：气源(81)和调压阀(82)，所述气源(81)经由所述调压阀(82)与所述样品室(1)连通，并通过所述调压阀(82)控制所述气源(81)对所述样品室(1)的加压量。
4.根据权利要求3所述的表面张力测定仪，其特征在于，所述加压装置(8)还包括稳压阀(83)，用于稳定供应给所述样品室(1)的加压量。
5.根据权利要求1所述的表面张力测定仪，其特征在于，所述图像采集装置(2)包括可自动调焦的摄像头(21)，能够通过自动调整焦距来采集所述气泡(13，13')的清晰图像。
6.根据权利要求5所述的表面张力测定仪，其特征在于，所述图像采集装置(2)还包括可移动支架(22)，所述摄像头(21)安装在所述可移动支架(22)上，能够自动调整所述摄像头(21)相对于所述样品室(1)的位置。
7.根据权利要求1所述的表面张力测定仪，其特征在于，所述样品室(1)包括封闭注射器(11)，在所述封闭注射器(11)中容纳待测液体(12)，并在待测液体(12)与所述封闭注射器(11)的顶部之间设有琼脂凝胶支撑面，所述气泡(13，13')位于所述琼脂凝胶支撑面的下方，并与所述琼脂凝胶支撑面通过待测液体进行分隔。
8.根据权利要求7所述的表面张力测定仪，其特征在于，还包括与所述样品室(1)的下端可操作的连接的加压装置(8)，在所述样品室(1)内所述气泡(13，13')的下方或者在所述样品室(1)与所述加压装置(8)之间还设有半透膜。
9.根据权利要求1所述的表面张力测定仪，其特征在于，所述样品室(1)具有多种不同装量规格，能够根据待测液体(12)的样本量进行对应装量规格的选择。
10.根据权利要求1所述的表面张力测定仪，其特征在于，所述图像处理装置(3)包括：
气泡尺寸测量单元，测量所述气泡(13，13')在预设压缩比下的图像的直径尺寸和高度尺寸；
表面张力计算单元，根据所述直径尺寸和高度尺寸计算预设压缩比对应的表面张力。
11.根据权利要求10所述的表面张力测定仪，其特征在于，还包括：加压装置(8)，与所述样品室(1)可操作的连接，对所述样品室(1)内的待测液体(12)进行加压，以调整所述气泡(13，13')的压缩比；
所述图像处理装置(3)还包括：
压缩比计算单元，基于积分切割数学模型根据所述直径尺寸和高度尺寸计算所述气泡(13，13')的当前压缩比；
调压单元，根据所述气泡(13，13')的当前压缩比调节所述加压装置(8)的加压量，以使所述气泡(13，13')的压缩比向预设压缩比调整。
12.根据权利要求1所述的表面张力测定仪，其特征在于，还包括以下至少一个：
保存单元，按照所述气泡(13，13')的图像采集时间顺序对所述气泡(13，13')的图像进行保存；
导出单元，将所述图像采集装置(2)采集的气泡(13，13')图像、所述图像处理装置(3)的测量数据以及计算结果导出。
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|---|---|---|---|
| CN201721443017.XU CN207540936U (zh) | 2017-11-02 | 2017-11-02 | 表面张力测定仪 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109752288A (zh) * | 2017-11-02 | 2019-05-14 | 华润双鹤药业股份有限公司 | 表面张力测定仪及测定方法 |
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2017
- 2017-11-02 CN CN201721443017.XU patent/CN207540936U/zh active Active
Cited By (1)
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| CN109752288A (zh) * | 2017-11-02 | 2019-05-14 | 华润双鹤药业股份有限公司 | 表面张力测定仪及测定方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20201204 Address after: No.2, SANHENG Road, Yaogu Industrial Park, national high tech Zone, Haikou City, Hainan Province, 570000 Patentee after: Double Crane Pharmaceutical (Hainan) Co.,Ltd. Address before: Two road 100102 Beijing city Chaoyang District Wangjing Lizedong No. 1 Patentee before: CHINA RESOURCES DOUBLE-CRANE PHARMACEUTICAL Co.,Ltd. |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20221009 Address after: 100102 floor 2, building 2, No. 1, lizedong 2nd Road, Chaoyang District, Beijing Patentee after: Beijing Shuanghe runchuang Technology Co.,Ltd. Address before: No. 2, Yaogu Sanheng Road, Yaogu Industrial Park, Haikou National High tech Zone, Hainan 570000 Patentee before: Double Crane Pharmaceutical (Hainan) Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |