DE2548891A1

DE2548891A1 - Automatischer probenwechsler fuer massenspektrometer

Info

Publication number: DE2548891A1
Application number: DE19752548891
Authority: DE
Inventors: Hermann Dipl Ing Bartholl; Hans-Dieter Bulwien; Walter Hupp; Engelbert Koch; Hans-Peter Dr Ritter; Rainer Strewinsky
Original assignee: Bayer AG
Current assignee: Finnigan MAT GmbH
Priority date: 1975-10-31
Filing date: 1975-10-31
Publication date: 1977-05-05
Also published as: FR2330006B1; JPS5257883A; GB1512747A; US4076982A; JPS5953661B2; FR2330006A1; DE2548891C3; DE2548891B2

Description

Bayer Aktiengesellschaft 2548891

Zentralbereich Patente. Marken und Lizenzen

509 Leverkusen. Bayerwerk

2 8. OKT. 1975

Ki/eb

Automatischer Probenwechsler für Massenspektrometer

Die Erfindung betrifft einen automatischen Probenwechsler für Massenspektrometer mit einer Verdampfungseinrichtung für feste und flüssige Proben. Der Probenwechsler sorgt dafür, daß nacheinander bis zu 30 Probentiegel in die Halterung einer Schubstange eingesetzt und wieder entfernt werden. Die zu verdampfende Probe wird mit der Schubstange durch eine Hochvakuumschleuse in das Massenspektrometer eingefahren.

Die Massenspektrometrie ist innerhalb der letzten Jahre zum Routinewerkzeug des organischen Chemikers geworden. Ein Hauptanwendungsgebiet ist dabei die Strukturaufklärung organischer Verbindungen. Die dazu notwendigen Massenspektrometer sind sehr teure Geräte und erfordern auch laufend hohe Betriebskosten. Es besteht daher der Wunsch, derart teure Geräte unter Zuhilfenahme von Datenverarbeitungsanlagen im automatischen Betrieb langer als acht Stunden täglich zu nutzen. Es sind Massenspektrometer im Handel (z.B. Typ CH 5 der Firma Varian MAT), die im Prinzip für diese Aufgabe geeignet sind. Bei diesem Massenspektrometertyp erfolgt die Probeneingabe mit Hilfe einer heiz- und kühlbaren Schubstange, die durch eine Hochvakuumschleuse in die Ionenquelle des Massenspektrometers eingeführt wird. Die zu verdampfende Probe befindet sich in einem Tiegel, der am vorderen Ende der Schubstange angeordnet ist. Der Verdampfung svor gang im Massenspektrometer wird so geregelt, daß

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der in der Ionenquelle erzeugte Totalionenstrom zeitlich konstant ist. Diese Regelung ist eine unabdingbare Voraussetzung für automatisch arbeitende Massenspektrometer.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Massenspektrometer besteht darin, daß die Probentiegel manuell in die Schubstange eingesetzt werden müssen. Dadurch verbietet sich aber ein vollautomatischer Betrieb.

Die Erfindung hat sich nun zum Ziel gesetzt, einen automatischen Probenwechsler für Massenspektrometer der eingangs beschriebenen Art zu entwickeln, um vollautomatische Analysen bei gleichzeitiger Verwendung von Datenverarbeitungsanlagen zu ermöglichen. Dabei werden im einzelnen folgende Anforderungen gestellt:

a) Die Betriebssicherheit muß so hoch sein, daß das Massenspektrometer auch nachts ohne Beaufsichtigung durchlaufen kann,

b) der Probenwechsler muß so aufgebaut sein, daß er ohne allzu großen Aufwand an den Probeneingabeteil eines Massenspektrometers angebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

a) daß die Schubstange des Probenwechslers einschließlich ihrem Antrieb auf einem parallel zur Schubstange laufenden Schleusenwagen montiert ist, der einen separaten Antrieb besitzt und an seiner dem Massenspektrometer zugewandten Stirnseite eine Stopfbuchse zur vakuumdichten Durchführung der Schubstange aufweist,

b) daß an der Rückwand der Hochvakuumschleuse eine O-Ring-Dichtung angebracht ist, die bei eingefahrenem Schleusenwagen den zwischen der Schleusenrückwand und der Stirnseite des Schleusenwagens verbleibenden Raum im Bereich der Schubstange abdichtet und

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c) daß zwischen der Stirnseite des Schleusenwagens und der Rückwand der Hochvakuumschleuse ein senkrecht zur Schubstange verschiebbares Probenmagazin eingebaut ist, aus dem die Probentiegel mittels einer am Schubstangenende angebrachten Halterung wahlweise entnommen werden können.

Vorteilhaft sind Schubstange und Schleusenwagen auf gemeinsamen Führungsstangen gelagert.

Eine Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, daß das Probenmagazin mit einer Gabel zum Entfernen der Tiegel aus der Probenhalterung versehen ist und die Tiegel eine der Gabelöffnung entsprechende Ringnut aufweisen.

Eine weitere Verbesserung besteht darin, daß das Probenmagazin von einer Abdeckhaube umschlossen wird und unter Schutzgas steht. Auf diese Weise sind die Proben vor Feuchtigkeit und Zersetzung geschützt.

Als Antriebe für das Probenmagazin und auch für die Schubstange haben sich Schrittmotoren bewährt. Damit kann eine sehr exakte Positionierung erreicht werden.

Die erfindungsgemäße Probenwechsler-Konstruktion gewährleistet die erforderliche hohe Präzision bei der Probeneingabe in das Massenspektrometer. Andererseits erlaubt der kompakte Aufbau verhältnismäßig leicht den Anbau an bereits vorhandene Massenspektrometer. Ein wichtiger Vorteil ist ferner darin zu sehen, daß der Anbau des Probenwechslers keine Probleme hinsichtlich der Hochvakuumabdichtung mit sich bringt.

Mit dem neuen Probenwechsler konnten zum ersten Mal Routineanalysen im Nachtbetrieb ohne Anwesenheit von Bedienungspersonal durchgeführt werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.

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Es zeigen;
Figuren 1a

1c die Funktion und den schematischen Aufbau des Probenwechslers,

Figuren 2a - 2c die Übernahme des Probentiegels durch die

Schubstange,

Figuren 3a - 3c das Entfernen des Probentiegels,

Figur 4

Figur 5

den konstruktiven Aufbau des Probenwechslers in Draufsicht (Schleusenwagen und Schubstange) und

den konstruktiven Aufbau des Probenwechslers in Seitenansicht (Probenmagazin).

Probenwechslermechanik (Prinzip)

Zunächst wird das Prinzip der Probenwechslermechanik anhand der Figuren 1a - 1c erläutert. Der Probenwechsler ist über ein hochvakuumdichtes Hauptventil 1 an die Ionenquelle 2 eines 90°-Sektorfeld-Massenspektrometers angeflanscht. Die wesentlichen Elemente des Probenwechslers sind der Schleusenwagen 3, die Schubstange 4 und das Probenmagazin 5. Der Schleusenwagen 3 und die Schubstange 4 sind auf drei Führungsstangen 6 in Richtung der X-Achse verschiebbar gelagert. Die Bewegung erfolgt mittels der von den Motoren 7 und 8 angetriebenen Spindeln 9 und Für die Funktion des Probenwechslers ist von wesentlicher Bedeutung, daß Schleusenwagen 3 und Schubstange 4 getrennt steuerbare Antriebe besitzen. Dabei ist der Schubstangenantrieb 8 an der Rückwand des Schleusenwagens 3 montiert. Die Lagerung von Schleusenwagen 3 und Schubstange 4 auf den gemeinsamen Führungs stangen 6 geschieht mittels der Gleitbuchsen 11 und

An der dem Massenspektrometer zugewandten Stirnseite des Schleusenwagens 3 ist eine Stopfbuchse 13 zur hochvakuumdichten Durchführung der Schubstange 4 angebracht. Die Tiegelhalterung

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befindet sich am linken Ende der Schubstange 4 (siehe Fig. 2).

Das Probenmagazin kann von unten her in den Raum zwischen der Rückseite der Hochvakuumschleuse 1 und der Stirnseite des Schleusenwagens 3 eingefahren werden. Zu diesem Zweck ist das Probenmagazin 5 auf senkrecht zur Zeichenebene angeordneten Führungsstangen 14 in vertikaler Richtung verschiebbar gelagert. Bei ausgefahrenem Probenmagazin 5 kann der Schleusenwagen 3 so weit in Richtung auf die Hochvakuumschleuse 1 zu gefahren werden, daß die Stirnseite der Stopfbuchse 13 an der O-Ring-Dichtung 15 anliegt. Dadurch wird der Raum zwischen der Stirnseite der Stopfbuchse 13 innerhalb des 0-Ringes abgedichtet und kann evakuiert werden. Auf diese Weise wird grundsätzlich vermieden, daß die Hochvakuumschleuse 1 mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

Automatische Tiegelübernahme

Die Form der Probentiegel 16 und ihre Halterung 17 am Schubstangenende sind aus den Figuren 2a bis 3c ersichtlich. Sie bestehen aus einem zylindrischen Gefäß mit einem Deckel 18 am Kopfende. In den Deckel 18 ist eine Ringnut 19 eingefräst. Außerdem befindet sich im Deckel eine zentrale ca. 0,1 mm große Bohrung zum Verdampfen der Probe. Der Tiegelboden läuft konisch zu. Diese Form erleichtert das Einsetzen in die Tiegelhalterung 17· Mit ihrem Kopfende sind die Tiegel 16 in längs einer Geraden angeordnete Bohrungen in einer Probenmagazinplatte 2o eingesetzt. Die Probenmagazinplatte ist senkrecht zur Schubstange verschiebbar. Die hierzu erforderliche Mechanik wird weiter unten beschrieben. Die Tiegelhalterung 17 besteht aus einem Zylinder 21 mit einer Klemmfeder 22.

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Die Figuren 2a bis 2c zeigen die Einzelschritte der Tiegelübernahme. Zur Übernahme wird der Tiegel 16 mit der X-Achse zur Deckung gebracht ^Fig. 2a). Dann bewegt sich die Schubstange auf die Magazinplatte 20 zu, klemmt den Tiegel 16 in der Halterung 17 fest (Fig. 2b) und zieht ihn bei der folgenden Rückwärtsbewegung in die Ausgangsposition aus dem Bohrloch der Magazinplatte 20 heraus (Fig. 2c).

Nach der Verdampfung der Probe im Massenspektrometer muß der Probentiegel 16 aus der Halterung 17 entfernt werden, damit die Halterung mit dem nächstfolgenden Tiegel beschickt werden kann. Die Entfernung des Probentiegels 16 aus der Halterung ist sehematisch in den Figuren 3a bis 3c dargestellt. Gemäß Fig. 3a ist der Tiegel mit der verdampften Probe wieder aus dem Massenspektrometer herausgefahren und befindet sich in der Position der Magazinplatte 20. In dieser Position wird nun eine an der Magazinplatte 20 angebrachte Haltegabel 23 mit der Ringnut 19 des Probentiegels 16 in Eingriff gebracht (siehe Fig. 3b). Sodann wird die Schubstange 4 in ihre Ausgangsposition zurückgefahren. Dadurch wird der Tiegel 16 aus der Tiegelhalterung 17 herausgezogen.und fällt in einen (nicht gezeichneten) Behälter (s. Fig. 3c).

Funktionsbeschreibung

Der Arbeitsablauf des vollautomatisch arbeitenden Massenspektrometer s läßt sich an dem nachfolgenden Flußdiagramm verdeutlichen:

!start I

!Einsetzen des Tiegels]

!Einschleusen des Tiegels|

Totalionenstromgeregelte Totalverdampfung Registrierung und Speicherung der Spektren

!Ausschleusen des Tiegels! ' {Tiegel entfernen!

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In der Ausgangsposition gemäß Fig. 1a wird der Probentiegel 16 in der soeben beschriebenen Weise in die Schubstange 4 eingesetzt. Zu diesem Zweck wird das Probenmagazin 5 von unten nach oben soweit in vertikaler Richtung verschoben bis der Tiegel mit der gewünschten Probe mit der X-Achse, d.h. mit der Schubstange zusammenfällt. Anschließend wird das Probenmagazin 5 wieder nach unten herausgefahren. Damit ist der Weg für den Schleusenwagen 3 freigegeben (Fig. 1b). Dieser verschließt nun die Schleuse durch Vorfahren bis zur O-Ring-Dichtung 15. Der verbleibende axiale Raum zwischen der Stopfbuchse 13 und der Schleusenrückwand wird anschließend mit einer Vorvakuumpumpe evakuiert. Danach kann die Hochvakuumschleuse 1 geöffnet werden. Hiernach wird der Schubstangenantrieb 8 in Betrieb gesetzt und die Schubstange 4 fährt mit der zu untersuchenden Probe durch die Hochvakuumschleuse 1 hindurch in die Ionenquelle 2 des Massenspektrometers. Der Probentiegel 16 befindet sich jetzt in der Meßstellung (siehe Fig. 1c). In dieser Stellung wird die Verdampfungseinrichtung eingeschaltet. Während der Verdampfungszeit der Probe werden in regelmäßigen Abständen Massenspektren registriert und gespeichert.

Nach dem Ende der Verdampfung wird der Tiegel 16 wieder aus dem Massenspektrometer ausgeschleust. Dazu fährt die Schubstange mit dem Tiegel hinter die Hochvakuumschleuse 1 zurück. Sodann wird die Hochvakuumschleuse 1 wieder geschlossen. Danach wird der Tiegel 16 mittels der am Probenmagazin 5 angebrachten Haltegabel 23 - wie bereits beschrieben - entfernt. Der Schleusenwagen 3 fährt in die Ausgangsposition zurück (siehe Fig.1a).

Konstruktiver Aufbau des Probenwechslers (siehe Fig. 4 und 5)

Der Probenwechsler besteht im wesentlichen aus zwei Teilen, d.i. dem Schleusenwagen 3 mit der Schubstange 4 und der dazugehörigen Führungsmechanik (siehe Fig. 4) und dem Probenmagazin 5 mit Führungsmechanik (siehe Fig. 5). Der Schleusenwagen 3 ist mittels der Gleitbuchsen 12 auf den drei parallel zur X-Achse laufenden

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Führungsstangen 6 gelagert. Die Gleitbuchsen 12 sind auf der Innenseite mit Kugellagern versehen (sogenannte Kugelbuchsen). Dadurch wird eine präzise und leichtgängige Führung erreicht. Die Führungs stangen 6 sind an einer Grundplatte 24 verschraubt.

Die Stirnseite 25 und die Rückwand 26 des Schleusenwagens 3 werden durch die Verbindungsstangen 27 zusammengehalten. Die Schubstange 4 ist einerseits in der Führungsplatte 28 und andererseits mit ihrem Antrieb 8 in der Rückwand 26 des Schleusenwagens 3 gelagert. Die Führungsplatte 28 ist wie der Schleusenwagen 3 mittels Kugelbuchsen auf den Führungsstangen 6 gelagert. Der Antrieb 8 für die Schubstange 4 besteht aus einem Schrittmotor, der eine Schloßmutter antreibt. Durch die Rotation der Schloßmutter wird die mit der Schubstange 4 verbundene Spindel 10 (siehe Fig. 1a) vorwärts- bzw. rückwärtsbewegt. Der Antrieb des Schleusenwagens 3 erfolgt über die Spindeln 9, die sich gegenüber den Schloßmuttern 29 drehen. Die Schloßmuttern 29 sind an der Rückwand 26 des Schleusenwagens 3 befestigt. Der Antrieb 7 und die Lagerung für die Spindeln 9 sind auf einer Grundplatte 30 montiert. Der Antrieb 7 besteht aus einem Gleichstrommotor, der über ein Getriebe 31 und Zahnriemen 32 die Spindeln 9 antreibt. Die beiden Antriebe 7 und 8 werden getrennt gesteuert. Die Konstruktion der "im Schleusenwagen 3 aufgehängten Schubstange 4" bedingt, daß die Schubstange 4 zwangsläufig jede Bewegung des Schleusenwagens 3 mitmacht. Umgekehrt bleibt der Schleusenwagen 3 in Ruhe, wenn die Schubstange durch den Antrieb 8 in Bewegung versetzt wird.

Die Stirnseite 25 des Schleusenwagens 3 ist mit einer Teflonstopfbuchse 13 versehen. Sie dient zur hochvakuumdichten Hindurchführung der Schubstange 4. Bei eingefahrenem Schleusenwagen (siehe Fig. 1b) liegt die Stirnseite der Stopfbuchse 13 über die O-Ring-Dichtung 15 an der Rückwand der Hochvakuumschleuse 1 an. Der hierdurch eingeschlossene axiale Raum ist mittels einer Vorvakuumpumpe evakuierbar. Eine Sicherheitsschaltung sorgt dafür, daß die Hochvakuumschleuse 1 erst dann geöffnet werden kann, wenn dieser Raum auf Vorvakuum evakuiert ist. Damit wird verhindert, daß die Hochvakuumschleuse 1 an

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ihrer Einlaßseite mit der Atmosphäre in Verbindung steht.

Die mechanische Verbindung des Probenwechslers mit dem Massenspektrometer 2 wird durch den Flansch 33 erreicht. In diesem Flansch sind auch die Führungsstangen 6 gelagert. Ferner trägt der Flansch 33 nach unten und oben weisende Haltestangen 34, an denen Basisplatten 35 für das Probenmagazin 5 montiert sind.Das Probenmagazin 5 ist - wie schon beschrieben - senkrecht zur Schubstange 4 von unten nach oben (d.h. senkrecht zur Zeichenebene) verschiebbar. Zu diesem Zweck sind Führungsstangen 14 senkrecht zur Schubstange vorgesehen. Das Probenmagazin 5 ist so angebracht, daß die Probentiegel im Bereich der X-Achse in den unmittelbar an die Hochvakuumschleuse 1 angrenzenden Raum befördert werden. In diesem Raum erfolgt die Übernahme der Probentiegel durch die am Schubstangenende angebrachte Tiegelhalterung 17, wie in Fig. 2 beschrieben.

An Hand von Fig. 5 wird die FUhrungsmechanik für das Probenmagazin 5 einschließlich seines Antriebes erläutert. Das ganze System ist über die Haltestangen 34 mit dem Probenwechsler mechanisch verbunden. Aus Fig. 5 ist auch die relative Lage der drei Führungsstangen 6 für den Schleusenwagen und der Hochvakuumschleuse 1 ersichtlich. Ähnlich wie der Schleusenwagen 3, besteht auch das Probenmagazin 5 aus einem Wagen 36, der mittels der Kugelbuchsen 37 verschiebbar auf den Führungsstangen 14 gelagert ist. Auf dem Wagen 36 ist die eigentliche Magazinplatte 20 mit Bohrlöchern 38 befestigt. In die Bohrlöcher 38 sind die Tiegel 16 mit ihrem Kopfende eingesteckt. Die Bohrlöcher 33 sind in vertikaler Richtung untereinander angeordnet. Die Tiegel 16 in der Magazinplatte 20 sind mit einer Haube 39 abgedeckt. Beim Einfahren in den Probenwechsler wird diese Haube durch den Bügel 40 zurückgehalten. Die Haube 39 gleitet mit ihren Seitenkanten in den Rillen 41. Die Abdeckung der Magazinplatte 20 ermöglicht eine Spülung der Probentiegel 20 mit Schutzgas. Auf diese Weise wird vermieden, daß die Proben während der Standzeiten mit der Atmosphäre in Berührung gelangen und eventuell geschädigt werden. Das Schutzgas, z.B. Stickstoff, wird durch

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den Stutzen 42 zugeführt.

Mit der Magazinplatte 20 fest verbunden ist die Haltegabel 23 zum Entfernen der Probentiegel 16 nach dem Meßvorgang (siehe Beschreibung Fig. 3).

Die Führungsstangen 14 für den Probenwagen 36 sind in zwei Grundplatten 35 verankert. Der Antrieb erfolgt mit einem Schrittmotor 45 über ein Getriebe 46, das mit der Spindel 47 verbunden ist. Die Spindeldrehung bewirkt eine vertikale Verschiebung der Schloßmutter 48, die ihrerseits mit dem Probenwagen 36 verbunden ist.

Sämtliche Funktionen des Probenwechslers werden von einer numerischen Steuerung gesteuert und kontrolliert. Diese Steuerung sorgt ebenfalls für das richtige Ineinandergreifen der Funktionen des Massenspektrometers (Scan und Verdampfung der Probe) und der angeschlossenen Datenverarbeitungsanlage. Die DVA dient vorwiegend zur Aufnahme und Speicherung der Spektren und zur anschließenden Auswertung der Daten. Selbstverständlich kann der Probenwechsler auch von Hand betätigt werden. Als Massenspektrometer wurden die Geräte CH 5 und CH 7 der Firma Varian MAT verwendet. Bei einer typischen Nachtmessung können ca. 30 Proben mit ca. 1000 Spektren gemessen werden, von denen nach Aufarbeitung etwa 50 Spektren ausgewertet werden. Dies bedeutet eine erhebliche Vergrößerung der Meßkapazität.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche;
j 1.) Automatischer Probenwechsler für Massenspektrometer mit einer

— Verdampfungseinrichtung für feste und flüssige Proben, der eine Schubstange aufweist, an deren einem Ende die zu verdampfende Probe in Form eines einsetzbaren Tiegels angeordnet ist und die Schubstange mit dem Probentiegel durch eine Hochvakuumschleuse in das Massenspektrometer einfahrbar ist, dadurch gekennzeichnet,

a) daß die Schubstange (4) einschließlich ihrem Antrieb (8) auf einem parallel zur Schubstange laufenden Schleusenwagen (3) montiert ist, der einen separaten Antrieb (7) besitzt und an seiner dem Massenspektrometer (2) zugewandten Stirnseite eine Stopfbuchse (13) zur vakuumdichten Duchführung der Schubstange (4) aufweist,

b) daß an der Rückwand der Hochvakuumschleuse (1) eine 0-Ringdichtung (15) angebracht ist, die bei eingefahrenem Schleusenwagen (3) den zwischen der Schleusenrückwand und der Stirnseite des Schleusenwagens (3) verbleibenden Raum im Bereich der Schubstange (4) abdichtet,

c) und daß zwischen der Stirnseite des Schleusenwagens und

der Rückwand der Hochvakuumschleuse ein senkrecht zur Schubstange (4) verschiebbares Probenmagazin (5) eingebaut ist, aus dem die Probentiegel (16) mittels einer am Schubstangenende angebrachten Halterung (17) wahlweise entnehmbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schubstange (4) und Schleusenwagen (3) gemeinsame Führungsstangen (6) aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Probenmagazin (5) mit einer Gabel (23) zum Entfernen der Tiegel (16) aus der Probenhalterung (17) versehen ist und die Tiegel (16) eine der Gabelöffnung entsprechende Ringnut (19) aufweisen.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Probenmagazin (5) von einer Abdeckhaube (39) umschlossen ist und unter Schutzgas steht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb für das Probenmagazin (5) und/oder für die Schubstange (4) aus einem Schrittmotor besteht.

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