DE102012020046A1 - Verfahren zum Aufbringen von Substanzen in definierten Zielpositionen auf mindestens einem beliebig ausgerichteten flächigen Substrat - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen von Substanzen in definierten Zielposition auf mindestens einem beliebig ausgerichteten flächigen Substrat mittels einer Dosiereinrichtung, die mindestens zwei Dosierköpfe aufweist, wobei die Dosierköpfe mit der Dosiereinrichtung entlang mindestens zweier Verfahrrichtungen relativ zu einem Dosierbereich dergestalt verfahrbar sind, dass die Dosierköpfe alle definierten Zielpositionen eines im Dosierbereich angeordneten Substrats anfahren und dort Substanz aufbringen können, und ist dadurch gekennzeichnet, dass a) eine entlang einer ersten Verfahrrichtung relativ zu den Substraten verfahrbare Dosiereinrichtung (10) eingesetzt wird, an der in Richtung einer zweiten Verfahrrichtung verstellbar ausgebildete Dosierköpfe (A, B und C) angeordnet sind, b) in einem ersten Schritt die genauen Positionen der einzelnen Substrate (12, 13) in dem Dosierbereich (21) ermittelt werden und daraus die Koordinaten der von den Dosierköpfen anzufahrenden Zielpositionen (1/I–8/IV) auf dem Substrat (12, 13) bestimmt werden, c) in einem zweiten Schritt für alle Zielpositionen berechnet wird, wann der jeweils einer Zielposition zugeordnete Dosierkopf bei Bewegung in Richtung der ersten Verfahrrichtung auf Höhe der anzufahrenden Zielposition ist und wie weit der Dosierkopf in Richtung der zweiten Verfahrrichtung verstellt werden muss, um die zugeordnete Zielposition zu erreichen, d) dann die Dosiereinrichtung (10) relativ zu dem Substrat (12, 13) verfahren wird, wobei die jeweils den Zielpositionen zugeordneten Dosierköpfe (A, B und C) in Richtung der zweiten Verfahrrichtung entsprechend der in Schritt c berechneten Werte verstellt werden und jeweils für einen zugeordneten Dosierkopf einer Triggersignal erzeugt wird, wenn dieser in Richtung der ersten Verfahrrichtung auf Höhe der Zielposition ist, das diesen zur Dosierung veranlasst e) der Vorgang durch wiederholtes Verfahren der Dosiereinrichtung (10) auf parallelen zueinander versetzten Bahnen in Richtung der ersten Verfahrrichtung solange wiederholt wird, bis in allen anzufahrenden Zielpositionen auf dem Substrat (12, 13) die jeweils gewünschte Substanz aufgetragen ist.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
- Insbesondere bei z. B. der miniaturisierten Analytik, aber auch für andere Anwendungszwecke, z. B. auf dem Gebiet der Elektronik, werden flächige Substrate eingesetzt, auf denen zumeist in möglichst hoher Dichte verschiedene Substanzen immobilisiert sind. Die Substrate werden u. A. auch als Chips, bzw. Biochips bezeichnet. Bei den Substanzen kann es sich um biologische oder chemische Substanzen, z. B. Oligonukldeotide, Antikörper, aber auch Zucker oder Lipide etc. handeln.
- In der Regel werden die Substanzen mit geeigneten Dosiereinrichtungen in definierten Zielpositionen auf ein Substrat aufgebracht, das in einem von der Dosiereinrichtung erreichbaren Dosierbereich angeordnet ist.
- Die Zielpositionen können z. B. spalten- und zeilenweise in Form eines so genannten Arrays auf dem Substrat vorgesehen sein. Übliche Substrate mit z. B. einer Fläche von 3 mm × 3 mm weisen z. B. ein Array von 30 × 30 Zeilen und Spalten mit jeweils entsprechenden Zielpositionen auf. Selbstverständlich können auf den Substraten aber auch Zielpositionen in beliebigen anderen Muster vorgesehen sein.
- Im Hinblick auf die relativ geringe Größe der Substrate sowie die hohe Dichte der darauf vorgesehenen Zielpositionen müssen die zur Aufbringung der Substanzen eingesetzten Dosiereinrichtungen in der Lage sein, hochgenau kleinste Substanzmengen abzugeben. Übliche Dosiermengen liegen im Bereich zwischen einem Pikoliter und einem Mikroliter. Der Tropfendurchmesser beträgt zwischen 30 μm und 100 μm.
- Eine geeignete Dosiereinrichtung ist z. B. aus der
DE 101 53 708 A1 bekannt. Diese Dosiereinrichtung ist in der Lage, flüssige Substanzen mit unterschiedlichen Viskositäten hochgenau zu dosieren. - In üblichen Dosierverfahren werden in der Regel Dosiereinrichtungen eingesetzt, die mehrere in einer Zeile angeordnete Dosierköpfe aufweisen. Mit einer solchen Dosiereinrichtung können in mehreren Zielpositionen eines Substrats gleichzeitig mehrere, ggf. auch unterschiedliche Substanzen aufgebracht werden.
- Wichtig ist dabei allerdings, dass die Substrate hochgenau zu der Dosiereinrichtung ausgerichtet sind. Dies ist z. B. der Fall bei Substraten bzw. Chips, die noch auf Wafern strukturiert vorliegen. Werden die Substrate jedoch in vorgelagerten Prozessschritten bearbeitet und liegen dann nicht mehr im Waferverbund, sondern in beliebiger Ausrichtung vor, so ist eine Aufbringung von Substanzen auf die Substrate mit bekannten Dosiereinrichtungen bzw. -verfahren im Hochdurchsatz schwierig. Das gleiche gilt für Zielpositionen, die in anderen Muster als den üblichen Arrays vorgesehen sind. Auch hierfür sind bekannte Dosiereinrichtungen nicht optimal geeignet.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, mit dem unterschiedliche Substanzen in möglichst kurzer Zeit auf mindestens ein beliebig ausgerichtetes Substrat hochgenau in beliebig vorgesehenen Zielpositionen aufgebracht werden können.
- Gelöst wird die Aufgabe mit einem Verfahren, das die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 aufweist.
- Wie im Stand der Technik sieht auch das erfindungsgemässe Verfahren vor, dass die Substanzen mittels einer Dosiereinrichtung in definierten Zielposition auf mindestens ein flächiges Substrat aufgebracht werden, wobei die Dosiereinrichtung mindestens zwei Dosierköpfe aufweist. Die Dosierköpfe sind mit der Dosiereinrichtung entlang mindestens zweier Verfahrrichtungen relativ zu einem Dosierbereich dergestalt verfahrbar, dass die Dosierköpfe alle definierten Zielpositionen eines oder mehrerer im Dosierbereich angeordneter Substrate anfahren und dort Substanz aufbringen können.
- Erfindungsgemäss ist nun vorgesehen, dass eine Dosiereinrichtung eingesetzt wird, deren Dosierköpfe in einer ersten Verfahrrichtung ausgerichtet und zueinander fixiert an der Dosiereinrichtung angeordnet sind und in mindestens einer weiteren zweiten Verfahrrichtung relativ zueinander in einem Verstellbereich verstellbar ausgebildet sind. Die Verfahrrichtungen können beliebig, aber voneinander verschieden gewählt werden. In der Regel werden jedoch Verfahrrichtungen gewählt, die parallel zu dem Dosierbereich bzw. den darin angeordneten Substraten und senkrecht zueinander sind. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Dosiereinrichtung noch zusätzlich in Richtung einer weiteren Verfahrrichtung zu verfahren.
- Erfindungsgemäss wird in einem ersten Schritt die genaue räumliche Position des Substrates in dem Dosierbereich optisch erfasst und es werden daraus die Koordinaten der von den Dosierköpfen anzufahrenden Zielpositionen (im folgenden auch als Spots bezeichnet) auf dem Substrat bestimmt. Die optische Erfassung kann mittels sichtbarem, UV-, oder Infrarotlicht, erfolgen, um nur einige Beispiele zu nennen
- Dann wird die Dosiereinrichtung bevorzugt in Richtung der ersten Verfahrrichtung, in der die Dosierköpfe zueinander fixiert sind, relativ zu dem Substrat verfahren, wobei die Dosierköpfe in Richtung der anderen Verfahrrichtung in Abhängigkeit von den Koordinaten der jeweils von dem Dosierkopf anzufahrenden Zielposition verstellt werden, und der Vorgang wird durch wiederholtes Verfahren der Dosiereinrichtung auf parallel zueinander versetzten Bahnen solange wiederholt, bis in allen anzufahrenden Zielpositionen auf dem Substrat bzw. den Substraten die jeweils gewünschte Substanz aufgetragen ist. Bei dieser Ausgestaltung können in besonders einfacher Weise alle Positionen einer Spalte bedient werden.
- Die Verstellung des, bzw. der Dosierköpfe kann durch ein mechanisches Stellglied erfolgen. Das mechanische Stellglied wird bevorzugt durch ein Piezo-Element betätigt. Genau so gut ist aber auch ein elektromagnetischer, ein hydraulischer, ein pneumatischer, elektrostatischer oder thermischer Antrieb denkbar.
- Denkbar ist aber auch, dass die Dosiereinrichtung in einer anderen Verfahrrichtung verschoben wird, dir nicht der Richtung der Hintereinanderanordnung der Dosierköpfe entspricht, so dass diese schräg zu einander versetzt über die Substrate geführt werden. Bei dieser Ausgestaltung wäre es möglich, Positionen mehrerer paralleler Spalten in einem Arbeitsgang anzufahren.
- Interessant wäre dies z. B. bei anderen Anwendungsfällen als den bislang vorrangig besprochenen Biochips. Denkbar ist das z. B. mit kleinen Bauteilen, die als Einzelteile vorliegen und deren Lage ungenauer ist als die erforderliche Fertigungstoleranz für das Aufbringen bzw. Beschichten des Materials.
- Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
- So kann z. B. vorgesehen sein, dass in einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrere Substrate in dem Dosierbereich angeordnet sind und die Dosiereinrichtung nacheinander über alle Substrate geführt wird, wobei ihre Dosierköpfe zu den jeweils gewünschten Zielpositionenkoordinaten verfahren werden und dort ggf. gleichzeitig unterschiedliche Substanzen in Zielpositionen auf unterschiedlichen Substrate abgeben können.
- Bevorzugt werden Dosiereinrichtungen eingesetzt, die eine Vielzahl von Dosierköpfen aufweisen. Je nach Ansteuerung können alle Dosierköpfe eingesetzt werden, also auch mehrere Dosierköpfe zur Aufbringung gleicher Substanzen, wobei nicht zwingend jeder Dosierkopf auf jedem Substrat Substanz aufbringen muss.
- Denkbar ist aber auch, in einer solchen Dosiereinrichtung nur so viele Dosierköpfe zur Dosierung einzusetzen, wie unterschiedliche Substanzen abzugeben sind.
- Wesentlicher Aspekt der Erfindung ist, dass in einem ersten Schritt die Position des Substrates, bzw. die Positionen der Substrate in dem Dosierbereich hochgenau erfasst werden. Dies kann z. B. mittels einer Kamera oder einem sonstigen optischen Sensor geschehen. Ist die Position des Substrates bestimmt, so werden aus dieser die Koordinaten der auf dem Substrat definierten gewünschten Zielpositionen berechnet und der Steuereinrichtung der Dosiereinrichtung übermittelt.
- Im Folgenden soll die Erfindung anhand zweier Abbildungen näher erläutert werden.
-
1 zeigt schematisch das Funktionsprinzip des Aufbrringverfahrens, und -
2 zeigt schematisch die Dosiereinrichtung mit in ihrem Dosierbereich angeordneten Substraten und einer die Substrate vermessenden optischen Einrichtung. - In
1 ist eine Dosiereinrichtung10 mit 3 Dosierköpfen A, B und C dargestellt. Die Dosiereinrichtung10 ist in Richtung einer ersten Verfahrrichtung14a –14d (im folgenden auch y-Achse) verfahrbar. Die Dosierköpfe sind an einem Balken11 mit in Richtung dieser ersten Verfahrrichtung konstantem Kopfabstand und in Richtung einer zweiten Verfahrrichtung (im folgenden auch x-Achse) verschiebbar aufgenommen, wie für den Dosierkopf C dargestellt. - Mit der Dosiereinrichtung
10 soll Flüssigkeit auf flächige Substrate12 und13 in definierten Zielpositionen (Spots) 1/I bis 8/IV aufgebracht werden, wobei mit 1 bis 8 die aufeinander folgenden Spots einer Spalte und mit I–IV die einzelnen Spalten bezeichnet sind, die die Dosiereinrichtung10 in Richtung der ersten Verfahrrichtung nacheinander abfährt. Zum besseren Verständnis sind als Beispiel in der Figur die Spots 1/II und 6/III bezeichnet. - In einem ersten Schritt wird nun mit einer in
1 nicht dargestellten Kamera oder einer anderen geeigneten optischen Einrichtung die Position der Substrate12 und13 bestimmt. Die optische Erfassung kann mittels sichtbarem, UV- oder Infrarotlicht erfolgen, um nur einige Beispiele zu nennen Da die Positionen der Spots für die Substrate vorgegeben sind, kann aus der Position der Substrate dann jede Spot-Position berechnet werden. - Dann wird die Dosiereinrichtung
10 entlang von im gezeigten Fall vier äquidistanten Verfahrbahnen14a bis14d in der ersten (y) Verfahrrichtung über die Substrate12 und13 bewegt. Die Anzahl der Verfahrbahnen14a bis d entspricht der Anzahl der Spalten I bis IV auf den Substraten12 und13 . Die Verfahrbahnen14a bis d sind im gezeigten Fall so gewählt, dass sich alle Spots der jeweils der Verfahrbahn zugeordneten Spalte relativ zu der Verfahrbahn auf derselben Seite befinden. Hintergrund ist, dass dadurch die weiter unten erläuterten Verschiebungen der einzelnen Dosierköpfe A, B und C immer mit demselben Vorzeichen erfolgen können, was den Rechenaufwand verringert. Dies ist natürlich nur eine Möglichkeit. Es ist durchaus denkbar, die Lage der Verfahrbahnen auch mit einem anderen Bezugspunkt zu wählen. - Während die Dosiereinrichtung
10 entlang z. B. der Verfahrbahn14a bewegt wird, werden jeweils die Dosierköpfe, die in den einzelnen Spots die Flüssigkeit abgeben sollen, durch Verschiebung am Balken11 in Richtung einer zweiten Verfahrrichtung um eine im Folgenden als Δx bezeichnete Strecke verstellt. In der Figur ist die Strecke Δx, um die ein Dosierkopf relativ zu der ersten Verfahrrichtung14a verstellt werden muss, am Beispiel des Spots 3/I dargestellt. - Im in
1 gezeigten Fall ist vorgesehen, dass alle Dosierköpfe A, B und C bei Verfahren der Dosiereinrichtung entlang z. B. der Verfahrrichtung14a die gleiche Bewegungskurve15a durchlaufen. Mit anderen Worten, jeder Dosierkopf passiert jede Zielposition und wird dann individuell an der ihm zugeordneten Zielposition angesteuert, um Flüssigkeit abzugeben. Die jeweils den Dosierköpfen zugeordneten Zielpositionen für die Substanzabgabe sind vorher in der die Dosiereinrichtung steuernden Software abgelegt worden. - Denkbar ist aber natürlich auch, dass sich die Dosierköpfe vorwiegend auf z. B. der Verfahrbahn
14a bewegen und individuell und voneinander unabhängig von dort aus zu der jeweils ihnen zugeordneten Zielposition bewegt werden. Die Dosierköpfe A, B und C durchlaufen dann unterschiedliche und voneinander unabhängige Bewegungskurven. - Wie gezeigt können in x-Richtung die Zielpositionen durch die individuelle Bewegung der Dosierköpfe eingestellt werden. In der anderen Richtung, d. h. z. B. der ersten (y) Verfahrrichtung
14a , wird vorab berechnet, wann die jeweilige Dosierkopfposition mit der des jeweiligen Spots übereinstimmt. Es wird hierzu auf die weiter unten angegebene Beispielstabelle verwiesen. Während der Fahrt wird die aktuelle Position der Dosiereinrichtung bezüglich der y-Achse ermittelt und zum jeweils erforderlichen Zeitpunkt ein Trigger-Signal ausgelöst, wenn einer der Dosierköpfe die ihm zugeordnete Zielposition erreicht. Durch das Trigger-Signal wird die Abgabe der Flüssigkeit bewirkt. Dieser Prozess wird für alle Spalten wiederholt, wobei, wie in der1 angegeben, die Verfahrbahn der Dosiereinrichtung um den jeweiligen Spaltenabstand verschoben wird. - Grundlage der errechneten y-Werte kann z. B. der Abstand der Dosierköpfe sein (AB, BC, usw.). und die Positionsdaten der optisch bestimmten Substratpositionen. Dann sind die Abstände der Spots auf einem Substrat immer gleich, die Anfangspunkte der Spalten aber variieren.
- Die einzelnen Positionen, an denen die Dosierköpfe Flüssigkeit abgeben sollen, können als Position der Dosiereinrichtung auf z. B. der Verfahrbahn
14a bzw. der ersten Verfahrrichtung und einen Δx-Wert definiert werden. Die Position der Dosiereinrichtung auf der Verfahrbahn14 soll im Folgenden als Δy bezeichnet werden. - Im gezeigten, weiter unten erläuterten Fall, wird Δy = 0 gesetzt, wenn ein Punkt
17 der Dosiereinrichtung auf Höhe des willkürlich als Referenzpunkt18 definierten Spots 1/I ist. Alle weiteren Δy Werte beziehen sich auf diesen Referenzpunkt18 . - Im gezeigten Fall soll angenommen werden, dass der Dosierkopf A die Spots 1, 4 und 7, der Dosierkopf B die Spots 3 und 8 und der Dosierkopf C die Spots 2, 5 und 6 (immer jeweils in Spalte 1) bedient.
- Wenn nun die oben erwähnte Spotreihenfolge gegeben ist und der Abstand der Dosierköpfe zueinander AB = 45 mm und BC = 48 mm beträgt, der Abstand der Positionen 1–4 in Bewegungsrichtung der Dosiereinrichtung zueinander 1,2 mm, der Abstand der Positionen 5–8 in Bewegungsrichtung der Dosiereinrichtung zueinander 1,1 mm und der Abstand der Positionen 1 und 5 in Bewegungsrichtung der Dosiereinrichtung zueinander 39 mm (alle Werte bezogen auf Spalte I), dann ergeben sich die in Tabelle 1 angegebenen Δy-Werte für die Dosiereinrichtungen.
- Die Werte sind Entfernungsangaben, lassen sich aber ohne weiteres auch in Zeitangaben umrechnen. Alle oben angegeben Werte sind willkürlich gewählt. Beim Abfahren der Verfahrbahn
14b ergibt sich aufgrund der Verdrehung der Chips ein geänderter Abstand der Positionen 1 und 5 (z. B. 39,5 mm).Position/Dosierkopf 1 2 3 4 5 6 7 8 A Δy = 0 Δy = 3,6 Δy = 41,2 B Δy = 47,4 Δy = 87,3 C Δy = 74,2 Δy = 132 Δy = 133,1 - Anhand der Tabelle kann man gut erkennen, dass die Dosiereinrichtung
10 mit dem Dosierkopf A auf dem Substrat13 in Position 7/I dosiert, während der Dosierkopf C danach noch in Position 2/I auf dem Substrat12 Flüssigkeit abgibt. - Eine gleichzeitige Bearbeitung mehrerer nicht definiert positionierter Substrate ist damit mit dem erfindungsgemässen Verfahren ohne weiteres möglich.
-
2 zeigt grob schematisch eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Dosiereinrichtung10 mit Dosierköpfen A, B und C, die verschiebbar an Balken11 an der Dosiereinrichtung aufgenommen sind. - Weiterhin vorgesehen ist eine Kamera
20 , mit der die Positionen von in einem Dosierbereich21 angeordneten Substraten12 und13 ermittelt werden können. Die ermittelten Positionswerte der Substrate werden an eine zentrale Steuereinrichtung weitergegeben, über die die Ansteuerung der Dosiereinrichtung10 erfolgt. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- DE 10153708 A1 [0006]
Claims (6)
- Verfahren zum Aufbringen von Substanzen in definierten Zielposition auf mindestens einem beliebig ausgerichteten flächigen Substrat mittels einer Dosiereinrichtung, die mindestens zwei Dosierköpfe aufweist, wobei die Dosierköpfe mit der Dosiereinrichtung entlang mindestens zweier Verfahrrichtungen relativ zu einem Dosierbereich dergestalt verfahrbar sind, dass die Dosierköpfe alle definierten Zielpositionen eines im Dosierbereich angeordneten Substrats anfahren und dort Substanz aufbringen können, dadurch gekennzeichnet, dass a) eine entlang einer ersten Verfahrrichtung relativ zu den Substraten verfahrbare Dosiereinrichtung (
10 ) eingesetzt wird, an der in Richtung einer zweiten Verfahrrichtung verstellbar ausgebildete Dosierköpfe (A, B und C) angeordnet sind, b) in einem ersten Schritt die genauen Positionen der einzelnen Substrate (12 ,13 ) in dem Dosierbereich (21 ) ermittelt werden und daraus die Koordinaten der von den Dosierköpfen anzufahrenden Zielpositionen (1/I–8/IV) auf dem Substrat (12 ,13 ) bestimmt werden, c) in einem zweiten Schritt für alle Zielpositionen berechnet wird, wann der jeweils einer Zielposition zugeordnete Dosierkopf bei Bewegung in Richtung der ersten Verfahrrichtung auf Höhe der anzufahrenden Zielposition ist und wie weit der Dosierkopf in Richtung der zweiten Verfahrrichtung verstellt werden muss, um die zugeordnete Zielposition zu erreichen, d) dann die Dosiereinrichtung (10 ) relativ zu dem Substrat (12 ,13 ) verfahren wird, wobei die jeweils den Zielpositionen zugeordneten Dosierköpfe (A, B und C) in Richtung der zweiten Verfahrrichtung entsprechend der in Schritt c berechneten Werte verstellt werden und jeweils für einen zugeordneten Dosierkopf einer Triggersignal erzeugt wird, wenn dieser in Richtung der ersten Verfahrrichtung auf Höhe der Zielposition ist, das diesen zur Dosierung veranlasst e) der Vorgang durch wiederholtes Verfahren der Dosiereinrichtung (10 ) auf parallelen zueinander versetzten Bahnen in Richtung der ersten Verfahrrichtung solange wiederholt wird, bis in allen anzufahrenden Zielpositionen auf dem Substrat (12 ,13 ) die jeweils gewünschte Substanz aufgetragen ist. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosierköpfe mit in Richtung der ersten Verfahrrichtung konstantem Abstand zueinander an der Dosiereinrichtung angeordnet sind.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung der Dosierköpfe durch ein mechanisches Stellglied erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Stellglied durch ein Piezo-Element betätigt wird
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dosiereinrichtung eingesetzt wird, die mindestens eine der Anzahl unterschiedlicher zu dosierender Substanzen entsprechende Anzahl von Dosierköpfen aufweist.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Dosiereinrichtung gleichzeitig auf unterschiedlichen im Dosierbereich befindlichen Substraten dosiert wird.
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