JP2015138002A - 粒子径測定装置、粒子径測定方法及び粒子径測定プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】より広範囲の粒子径を正確に測定することができる粒子径測定装置、粒子径測定方法及び粒子径測定プログラムを提供する。
【解決手段】粒子分離部により分離された粒子群ごとに、粒子濃度を粒子濃度測定部３で測定し、散乱光強度を散乱光強度測定部４で測定する。単位濃度あたりの散乱光強度と粒子径との関係を測定基準情報として測定基準情報記憶部５２１に記憶する。粒子濃度測定部３により測定された粒子濃度、散乱光強度測定部４により測定された散乱光強度、及び、前記測定基準情報に基づいて、粒子分離部により分離された粒子群の粒子径を粒子径算出部５１１で算出する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、試料の粒子径を測定するための粒子径測定装置、粒子径測定方法及び粒子径測定プログラムに関するものである。

従来から、試料の粒子径を測定するために、いわゆるパーティクルカウンターなどの粒子径測定装置が用いられている（例えば、下記特許文献１参照）。この種の粒子径測定装置では、試料中の粒子にレーザ光を照射し、粒子からの散乱光を検出器で受光することにより、得られた散乱光強度に基づいて粒子径を測定することができる。

試料中の粒子は、セル内の測定領域を１つずつ通過する。レーザ光は測定領域に集光され、測定領域を１つずつ通過する各粒子で散乱することにより、各粒子の粒子径に応じた散乱光強度が検出器で検出される。

特許第２８９９３５９号公報

パーティクルカウンターなどの粒子径測定装置では、上述の通り、各粒子に対して１つずつレーザ光を照射して散乱光強度を検出しなければならない。そのため、各粒子を分離することが困難な場合があり、仮に２つ以上の粒子に対して同時にレーザ光が照射された場合には、粒子径を正確に測定することができないという問題がある。

また、パーティクルカウンターで測定可能な粒子径の下限は、一般的には２５０ｎｍ程度である。そのため、例えば１００ｎｍ以下の微粒子の粒子径を測定することは困難であり、測定範囲が限定されるという問題がある。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、より広範囲の粒子径を正確に測定することができる粒子径測定装置、粒子径測定方法及び粒子径測定プログラムを提供することを目的とする。

本発明に係る粒子径測定装置は、粒子分離部と、粒子濃度測定部と、散乱光強度測定部と、測定基準情報記憶部と、粒子径算出部とを備える。前記粒子分離部は、試料を粒子径ごとの粒子群に分離する。前記粒子濃度測定部は、前記粒子分離部により分離された粒子群ごとに粒子濃度を測定する。前記散乱光強度測定部は、前記粒子分離部により分離された粒子群ごとに散乱光強度を測定する。前記測定基準情報記憶部は、単位濃度あたりの散乱光強度と粒子径との関係を測定基準情報として記憶する。前記粒子径算出部は、前記粒子濃度測定部により測定された粒子濃度、前記散乱光強度測定部により測定された散乱光強度、及び、前記測定基準情報に基づいて、前記粒子分離部により分離された粒子群の粒子径を算出する。

このような構成によれば、試料を粒子径ごとの粒子群に分離した上で、各粒子群の粒子径を算出することができる。このとき、単位濃度あたりの散乱光強度と粒子径との関係を表す測定基準情報を用いることにより、１つずつの粒子に分離しなくても、測定された各粒子群の粒子濃度及び散乱光強度に基づいて粒子径を正確に測定することができる。

また、粒子群単位で散乱光強度を測定するため、各粒子単位で散乱光強度を測定するような構成よりも、粒子径の差異に応じた散乱光強度の変化を判別しやすい。そのため、例えば１００ｎｍ以下のような極めて微小な粒子でも粒子径を測定することが可能となり、より広範囲の粒子径を測定することができる。

前記散乱光強度測定部は、試料からの散乱光を受光する１つの検出器を備えていてもよい。この場合、前記粒子径算出部は、前記１つの検出器により測定された散乱光強度に基づいて、前記粒子分離部により分離された粒子群の粒子径を算出してもよい。

このような構成によれば、１つの検出器を用いて粒子径を測定することができるため、より簡単かつ安価な構成とすることができる。この場合、測定しようとする粒子径に応じて検出器の位置を設定し、粒子群からの散乱光を受光する角度を変更すれば、例えば数ｎｍ〜数μｍの広範囲にわたって粒子径を正確に測定することができる。

前記粒子濃度測定部は、前記粒子分離部により分離された粒子群に光を照射する光源を備えていてもよい。この場合、前記１つの検出器は、前記光源から粒子群に照射された光の散乱光を受光してもよい。

このような構成によれば、粒子濃度測定部の光源から粒子群に照射される光を用いて、粒子群の粒子濃度を測定することができるだけでなく、散乱光を検出器で受光することにより、粒子群の散乱光強度も測定することができる。この場合、既存の粒子濃度測定部に１つの検出器を追加するだけの簡単な構成で、粒子径を測定することができる。

本発明に係る粒子径測定方法は、粒子分離ステップと、粒子濃度測定ステップと、散乱光強度測定ステップと、測定基準情報読出ステップと、粒子径算出ステップとを備える。前記粒子分離ステップでは、試料を粒子径ごとの粒子群に分離する。前記粒子濃度測定ステップでは、前記粒子分離ステップで分離された粒子群ごとに粒子濃度を測定する。前記散乱光強度測定ステップでは、前記粒子分離ステップで分離された粒子群ごとに散乱光強度を測定する。前記測定基準情報読出ステップでは、単位濃度あたりの散乱光強度と粒子径との関係を測定基準情報として記憶する測定基準情報記憶部から、前記測定基準情報を読み出す。前記粒子径算出ステップでは、前記粒子濃度測定ステップで測定された粒子濃度、前記散乱光強度測定ステップで測定された散乱光強度、及び、前記測定基準情報に基づいて、前記粒子分離ステップで分離された粒子群の粒子径を算出する。

本発明に係る粒子径測定プログラムは、前記粒子分離ステップと、前記粒子濃度測定ステップと、前記散乱光強度測定ステップと、前記測定基準情報読出ステップと、前記粒子径算出ステップとをコンピュータに実行させる。

本発明によれば、１つずつの粒子に分離しなくても、試料を粒子径ごとの粒子群に分離し、各粒子群の粒子濃度及び散乱光強度を測定することにより、粒子径を正確に測定することができる。また、本発明によれば、粒子群単位で散乱光強度を測定するため、極めて微小な粒子でも粒子径を測定することが可能となり、より広範囲の粒子径を測定することができる。

本発明の一実施形態に係る粒子径測定装置の構成例を示した概略図である。 散乱光強度測定部の具体的構成の一例を示した概略図である。 制御装置の具体的構成の一例を示したブロック図である。 測定基準情報の一例について説明するための図である。 粒子径を算出する際の吸光度Ａ及び散乱光強度Ｉの一例を時間経過とともに示した図である。 試料の粒子径を測定する際の制御部による処理の一例を示したフローチャートである。 粒子濃度測定部の変形例を示した概略図である。

図１は、本発明の一実施形態に係る粒子径測定装置の構成例を示した概略図である。この粒子径測定装置は、タンパク質などの試料の粒子径を測定するための装置であり、導入部１、粒子分離部２、粒子濃度測定部３、散乱光強度測定部４及び制御装置５などを備えている。

試料は、導入部１から粒子分離部２に導入される。粒子分離部２は、例えばサイズ排除クロマトグラフのような液体クロマトグラフにより構成され、試料を粒子径ごとの粒子群に分離する。すなわち、粒子径に応じて粒子の流速が変化するような機構を用いて粒子分離部２を構成することにより、粒子径が近似する粒子同士を粒子群として同じ時間帯に溶出させることができる。ただし、粒子分離部２は、液体クロマトグラフに限らず、例えばＦＦＦ（Field Flow Fractionation）法などの他の方法により、試料を粒子径ごとの粒子群に分離することができるような構成であってもよい。

粒子濃度測定部３は、例えば光源３１及び検出器３２を備えており、粒子分離部２により分離された粒子群ごとに粒子濃度を測定する。具体的には、粒子分離部２により分離されて、粒子濃度測定部３に順次導かれる各粒子径の粒子群に対して、光源３１から測定光が照射される。そして、粒子群を通過した測定光を検出器３２で検出することにより吸光度を測定し、当該吸光度から粒子の濃度を算出することができる。

吸光度から粒子濃度を算出する際には、例えば既知の濃度を有する粒子群について吸光度を測定することにより得られる検量線を用いることができる。検出器３２としては、例えばＵＶ検出器（紫外線検出器）、ＲＩ検出器（示差屈折率検出器）、ＲＦ検出器（蛍光検出器）などの各種検出器を用いることができる。

散乱光強度測定部４は、粒子分離部２により分離された粒子群ごとに散乱光強度を測定するためのものであり、この例では、粒子濃度測定部３を通過した各粒子径の粒子群が、散乱光強度測定部４に順次導かれる。散乱光強度測定部４に順次導かれる各粒子径の粒子群には、光源４１から測定光が照射され、当該測定光が粒子群で散乱することにより発せられる散乱光が検出器４２で検出される。

光源４１としては、例えばランプ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）又はレーザ光源などの各種光源を用いることができる。また、検出器４２としては、フォトダイオード又はＰＭＴ（光電子増倍管）などの各種検出器を用いることができる。

制御装置５は、導入部１、粒子分離部２、粒子濃度測定部３及び散乱光強度測定部４などの各部の動作を制御するとともに、検出器３２，４２による検出結果に基づいて演算を行う。本実施形態では、粒子濃度測定部３により測定された粒子濃度と、散乱光強度測定部４により測定された散乱光強度とを用いて、粒子分離部２により分離された各粒子群の粒子径が算出される。

図２は、散乱光強度測定部４の具体的構成の一例を示した概略図である。この図２に示すように、光源４１からの測定光は、セル４３内に順次導かれる粒子径ごとの粒子群Ｐに対して照射され、このとき発生する散乱光が検出器４２により検出される。

この例では、光源４１側から見てセル４３の側方に配置された１つの側方センサにより検出器４２が構成されている。セル４３は、例えば薄い中空状の部材により形成されており、その厚み方向Ｄが光源４１から入射する測定光の光軸Ｌと平行になるように配置される。検出器４２としての側方センサは、セル４３に対して、例えば厚み方向Ｄに直交する方向に配置される。

図３は、制御装置５の具体的構成の一例を示したブロック図である。制御装置５は、例えばコンピュータにより構成され、制御部５１及び記憶部５２などを備えている。制御部５１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む構成であり、ＣＰＵがプログラムを実行することにより、粒子径算出部５１１などの各種機能部として機能する。記憶部５２は、例えばＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及びハードディスクなどにより構成することができる。

粒子径算出部５１１は、粒子濃度測定部３により測定された粒子濃度、及び、散乱光強度測定部４により測定された散乱光強度に基づいて、粒子分離部２により分離された粒子群の粒子径を算出するための処理を行う。記憶部５２には、単位濃度あたりの散乱光強度と粒子径との関係を測定基準情報として記憶する測定基準情報記憶部５２１が割り当てられており、粒子径算出部５１１は、当該測定基準情報を用いて粒子群の粒子径を算出する。

粒子径算出部５１１により算出された粒子径は、記憶部５２に割り当てられた粒子径記憶部５２２に、各粒子群に対応付けて記憶される。粒子径記憶部５２２に記憶されている各粒子群の粒子径については、測定結果として読み出して、表示部（図示せず）に表示させるなどの処理を行うことができる。

図４は、測定基準情報の一例について説明するための図である。図４に示すように、粒子濃度測定部３により測定される粒子濃度（Ｃ）と、散乱光強度測定部４により測定される散乱光強度（Ｉ）とは比例しており、各粒子群の粒子径（ｄ）に応じて、単位濃度あたりの散乱光強度（図４における「傾き」）が変化する。このような粒子濃度（Ｃ）、散乱光強度（Ｉ）及び粒子径（ｄ）の関係を表す測定基準情報は、例えばミー散乱理論に基づく計算式などを用いて求めることもできるし、既知の粒子径を有する粒子群について粒子濃度及び散乱光強度を測定することにより検量線として求めることもできる。

粒子径算出部５１１は、粒子濃度測定部３により測定された粒子濃度（Ｃ）、及び、散乱光強度測定部４により測定された散乱光強度（Ｉ）に基づいて、単位濃度あたりの散乱光強度（傾き）を算出し、当該傾きを図４に示すような測定基準情報に対応する関数に代入することにより、各粒子群の粒子径（ｄ）を特定する。例えば、粒子濃度がＣ＝Ｃ１、散乱光強度がＩ＝Ｉ１であった場合には、その粒子群の各粒子の粒子径はｄ＝５０ｎｍとなる。

このように、粒子分離部２により分離された粒子群の粒子濃度（Ｃ）が得られたとしても、当該粒子群の散乱光強度（Ｉ）が得られなければ粒子径（ｄ）を特定することはできない。同様に、粒子分離部２により分離された粒子群の散乱光強度（Ｉ）が得られたとしても、当該粒子群の粒子濃度（Ｃ）が得られなければ粒子径（ｄ）を特定することはできない。すなわち、粒子分離部２により分離された粒子群の粒子濃度（Ｃ）及び散乱光強度（Ｉ）の両方が得られた場合にのみ、図４に示すような測定基準情報を用いて粒子径（ｄ）を特定することができる。

図５は、粒子径を算出する際の吸光度Ａ及び散乱光強度Ｉの一例を時間経過とともに示した図である。この例では、粒子濃度測定部３により吸光度Ａが測定されるタイミングと、散乱光強度測定部４により散乱光強度Ｉが測定されるタイミングとの対応関係が、各粒子群について正確に得られる場合について説明する。

例えば図５のように、粒子分離部２により分離された粒子群について、あるタイミングにおける吸光度がＡ＝Ａ２であり、対応するタイミングにおける散乱光強度がＩ＝Ｉ２であったとする。この場合、吸光度Ａ２から算出される粒子濃度Ｃ２で散乱光強度Ｉ２を除算することにより、単位濃度あたりの散乱光強度（Ｉ２／Ｃ２）が算出される。このようにして算出された単位濃度あたりの散乱光強度（Ｉ２／Ｃ２）を、例えば単位濃度あたりの散乱光強度と粒子径との関係を表す関数に代入することにより、当該粒子群の粒子径を算出することができる。

この例では、粒子濃度測定部３により測定される吸光度Ａの瞬時値（Ａ２）と、散乱光強度測定部４により測定される散乱光強度Ｉの瞬時値（Ｉ２）とに基づいて、各粒子群の粒子径を算出するような構成について説明した。しかし、例えば各粒子群に対応する吸光度Ａ及び散乱光強度Ｉの各ピーク面積に基づいて、各粒子群の粒子径を算出するような構成であってもよい。

この場合、同一の粒子群に対応する吸光度ＡのピークＰ１と散乱光強度ＩのピークＰ２について、それぞれの積算値を求めて単位濃度あたりの散乱光強度を算出してもよい。このように、瞬時値ではなく積算値を用いた場合には、粒子濃度測定部３により吸光度Ａが測定されるタイミングと、散乱光強度測定部４により散乱光強度Ｉが測定されるタイミングとの対応関係が正確に得られない場合であっても、同一の粒子群に対応する吸光度Ａ及び散乱光強度Ｉの各ピークＰ１，Ｐ２を判別できれば、単位濃度あたりの散乱光強度を正確に算出することができる。

図６は、試料の粒子径を測定する際の制御部５１による処理の一例を示したフローチャートである。試料の粒子径を測定する際には、まず、導入部１から粒子分離部２に所定の流量で試料を導入させることにより、粒子分離部２において試料を粒子径ごとの粒子群に分離させるための処理が行われる（ステップＳ１０１：粒子分離ステップ）。

このようにして粒子群ごとに分離された粒子群は、粒子濃度測定部３に順次導かれ、当該粒子濃度測定部３において粒子群ごとに粒子濃度を測定するための処理が行われる（ステップＳ１０２：粒子濃度測定ステップ）。また、各粒子群は粒子濃度測定部３から散乱光強度測定部４に順次導かれ、当該散乱光強度測定部４において粒子群ごとに散乱光強度を測定するための処理が行われる（ステップＳ１０３：散乱光強度測定ステップ）。

その後、測定基準情報記憶部５２１から測定基準情報が読み出され（ステップＳ１０４：測定基準情報読出ステップ）、当該測定基準情報と、予め測定されている粒子濃度及び散乱光強度とに基づいて、各粒子群の粒子径を算出するための処理が行われる（ステップＳ１０５：粒子径算出ステップ）。このようなステップＳ１０２〜Ｓ１０５の処理は、粒子分離部２において分離される各粒子群に対して順次実行される。

本実施形態では、試料を粒子径ごとの粒子群に分離した上で、各粒子群の粒子径を算出することができる。このとき、図４に示すような単位濃度あたりの散乱光強度と粒子径との関係を表す測定基準情報を用いることにより、１つずつの粒子に分離しなくても、測定された各粒子群の粒子濃度及び散乱光強度に基づいて粒子径を正確に測定することができる。

また、粒子群単位で散乱光強度を測定するため、各粒子単位で散乱光強度を測定するような構成よりも、粒子径の差異に応じた散乱光強度の変化を判別しやすい。そのため、図４に示したように、例えば１００ｎｍ以下のような極めて微小な粒子でも粒子径を測定することが可能となり、より広範囲の粒子径を測定することができる。

特に、本実施形態では、散乱光強度測定部４に備えられた１つの検出器４２により、試料からの散乱光が受光される（図２参照）。そして、当該１つの検出器４２により測定された散乱光強度に基づいて、粒子径算出部５１１が粒子分離部２により分離された粒子群の粒子径を算出するようになっている。

このように、１つの検出器４２を用いて粒子径を測定することができるため、より簡単かつ安価な構成とすることができる。この場合、測定しようとする粒子径に応じて検出器４２の位置を設定し、粒子群からの散乱光を受光する角度を変更すれば、例えば数ｎｍ〜数μｍの広範囲にわたって粒子径を正確に測定することができる。

例えば図２のように、検出器４２が測定光の光軸Ｌに対して９０°方向に散乱する散乱光を受光する構成の場合には、数ｎｍ〜１００ｎｍ程度の粒子径を測定することができる。また、セル４３から光源４１側（後方）に散乱する散乱光を検出器４２で受光する構成の場合には、より小さい粒子径を測定することができる。一方、セル４３から光源４１側とは反対側（前方）に散乱する散乱光を検出器４２で受光する構成の場合には、より大きい粒子径を測定することができる。

図７は、粒子濃度測定部３の変形例を示した概略図である。この変形例では、粒子濃度測定部３に散乱光強度測定部４が一体化されている。すなわち、粒子濃度測定部３に備えられたセル３３内に順次導かれる粒子径ごとの粒子群Ｐに対して、光源３１から光（例えば紫外光）が照射され、吸光度が検出器３２で測定されるとともに、散乱光強度が検出器４２で測定されるようになっている。

このとき、試料の種類に応じて吸収が生じる波長域が異なるため、吸収が生じる波長における検出器３２の受光強度に基づいて吸光度を測定すれば、吸光度を良好に測定することができる。一方、吸光が生じない、又は、吸光が生じにくい波長における検出器４２の受光強度に基づいて散乱光強度を測定すれば、散乱光強度を良好に測定することができる。

なお、吸光度を測定するための検出器３２は、セル３３に対して光源３１側とは反対側（前方）に配置されることが好ましい。一方、散乱光強度を検出するための検出器４２は、上述の通り、測定しようとする粒子径に応じて任意の位置に配置することができる。

このように、図７のような構成では、粒子濃度測定部３の光源３１から粒子群に照射される光を用いて、粒子群の粒子濃度を測定することができるだけでなく、散乱光を検出器４２で受光することにより、粒子群の散乱光強度も測定することができる。この場合、既存の粒子濃度測定部３に１つの検出器４２を追加するだけの簡単な構成で、粒子径を測定することができる。

以上の実施形態では、粒子分離部２により分離された各粒子群が、粒子濃度測定部３に導かれて粒子濃度が測定された後、散乱光強度測定部４に導かれて散乱光強度が測定されるような構成について説明した。しかし、このような構成に限らず、粒子分離部２により分離された各粒子群が、散乱光強度測定部４に導かれて散乱光強度が測定された後、粒子濃度測定部３に導かれて粒子濃度が測定されるような構成であってもよい。

この場合、図６のステップＳ１０２及びＳ１０３は、順序を入れ替えて実行されてもよい。また、図７のように粒子濃度測定部３と散乱光強度測定部４とが一体化された構成の場合には、図６のステップＳ１０２及びＳ１０３が同時に実行されてもよい。

上記実施形態では、制御部５１が、図６に例示されるような処理を実行することにより、試料の粒子径が自動で測定されるような構成について説明した。しかし、このような構成に限らず、図６に例示されるような各処理の少なくとも１つが、作業者により手動で行われるような構成であってもよい。

また、上記実施形態のように、試料の粒子径を測定するための粒子径測定装置を提供することができるだけでなく、図６に例示されるような処理をコンピュータに実行させるためのプログラム（粒子径測定プログラム）を提供することも可能である。この場合、上記プログラムは、記憶媒体に記憶された状態で提供されるような構成であってもよいし、有線通信又は無線通信を介してプログラム自体が提供されるような構成であってもよい。

１ 導入部
２ 粒子分離部
３ 粒子濃度測定部
４ 散乱光強度測定部
５ 制御装置
３１ 光源
３２ 検出器
３３ セル
４１ 光源
４２ 検出器
４３ セル
５１ 制御部
５２ 記憶部
５１１ 粒子径算出部
５２１ 測定基準情報記憶部
５２２ 粒子径記憶部

Claims (5)

1. 試料を粒子径ごとの粒子群に分離する粒子分離部と、
   前記粒子分離部により分離された粒子群ごとに粒子濃度を測定する粒子濃度測定部と、
   前記粒子分離部により分離された粒子群ごとに散乱光強度を測定する散乱光強度測定部と、
   単位濃度あたりの散乱光強度と粒子径との関係を測定基準情報として記憶する測定基準情報記憶部と、
   前記粒子濃度測定部により測定された粒子濃度、前記散乱光強度測定部により測定された散乱光強度、及び、前記測定基準情報に基づいて、前記粒子分離部により分離された粒子群の粒子径を算出する粒子径算出部とを備えたことを特徴とする粒子径測定装置。
2. 前記散乱光強度測定部は、試料からの散乱光を受光する１つの検出器を備え、
   前記粒子径算出部は、前記１つの検出器により測定された散乱光強度に基づいて、前記粒子分離部により分離された粒子群の粒子径を算出することを特徴とする請求項１に記載の粒子径測定装置。
3. 前記粒子濃度測定部は、前記粒子分離部により分離された粒子群に光を照射する光源を備え、
   前記１つの検出器は、前記光源から粒子群に照射された光の散乱光を受光することを特徴とする請求項２に記載の粒子径測定装置。
4. 試料を粒子径ごとの粒子群に分離する粒子分離ステップと、
   前記粒子分離ステップで分離された粒子群ごとに粒子濃度を測定する粒子濃度測定ステップと、
   前記粒子分離ステップで分離された粒子群ごとに散乱光強度を測定する散乱光強度測定ステップと、
   単位濃度あたりの散乱光強度と粒子径との関係を測定基準情報として記憶する測定基準情報記憶部から、前記測定基準情報を読み出す測定基準情報読出ステップと、
   前記粒子濃度測定ステップで測定された粒子濃度、前記散乱光強度測定ステップで測定された散乱光強度、及び、前記測定基準情報に基づいて、前記粒子分離ステップで分離された粒子群の粒子径を算出する粒子径算出ステップとを備えたことを特徴とする粒子径測定方法。
5. 試料を粒子径ごとの粒子群に分離する粒子分離ステップと、
   前記粒子分離ステップで分離された粒子群ごとに粒子濃度を測定する粒子濃度測定ステップと、
   前記粒子分離ステップで分離された粒子群ごとに散乱光強度を測定する散乱光強度測定ステップと、
   単位濃度あたりの散乱光強度と粒子径との関係を測定基準情報として記憶する測定基準情報記憶部から、前記測定基準情報を読み出す測定基準情報読出ステップと、
   前記粒子濃度測定ステップで測定された粒子濃度、前記散乱光強度測定ステップで測定された散乱光強度、及び、前記測定基準情報に基づいて、前記粒子分離ステップで分離された粒子群の粒子径を算出する粒子径算出ステップとをコンピュータに実行させることを特徴とする粒子径測定プログラム。

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