JP4800655B2 - 光測定装置 - Google Patents

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Description

本発明は、ノイズ光を有効に低減してS/N比の高い測定データを得ることのできる光測定装置に関する。
共焦点光学系を用いた1分子蛍光分析装置では、複雑な光学系が必要である。ここでいう複雑な光学系とは、共焦点光学系の光路調整や、各種波長に対応した複数のフィルタの組み合わせを変えられるように構成されているということである。
そこで、特許文献1には、光路の調整の必要のない共焦点走査型顕微鏡についての発明が開示されている。この発明では、1台の波長可変レーザからの光を波長選択反射板を用いて波長を切り換えるため、複数のレーザ光源を切り換える必要がなく、光路のズレは生じない。
特開平7−244238号公報
一般に、生体試料から発せられる蛍光や生物発光などは極めて微弱な光であることが多く、これを測定するための共焦点光学顕微鏡を基本とする測定装置では、光電子増倍管やアバランシェ・フォトダイオード(APD)などといった高感度光検出器が用いられている。
特許文献1に開示された発明では、必要な波長以外のレーザ光がカットされるので光強度のロスとなり、出力が低減する。励起用レーザ光の強度が弱いと試料から発せられる蛍光強度も微弱となるため、光検出器の感度を上げる必要があるが、同時にノイズ光も信号光と一緒に増幅されてしまう。
ここで、ノイズ光には、外乱光とは別に、測定装置内部で発生する光も含まれる。例えば、複数の光源を用いて溶液中の単一分子レベルの生体試料から発せられる微弱な光を測定する光測定装置では、微小領域に光を絞り込み、高感度に光検出を行なうためにピンホールやフィルタなど、測定光路内光学素子を組み込み、その位置調整を精度良く行なう必要がある。
これらの光学素子の位置調整は一般には各々の光学素子に取り付けられた光位置検出器により位置座標を検出して自動的に行われることが多い。高感度光検出器で試料からの微弱光を検出する場合、この光位置検出器が発する光も測定用の光検出器によって検出されてしまい、これがノイズとして測定データに影響を与えることがある。
したがって、微弱な光を扱うような測定装置では、従来よりももっと厳密なノイズ光対策が必要となる。
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであって、外乱光とともに、装置内部で発生するノイズ光を有効に低減してS/N比の高い測定データを得ることのできる光測定装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための、本発明に係る請求項1に記載の光測定装置は、試料に照射する照射光を出力する光源と、前記照射光を前記試料に照射した結果として発生する発生光を光検出器に導く導光光学系とを有する光測定装置において、前記導光光学系は、前記発生光を前記光検出器に受光させるための複数の光学素子と、複数の前記光学素子の配置を調整するための位置決め手段と、複数の前記光学素子の位置を光学的方法で検出する位置検出手段とを備え、複数の前記光学素子、前記位置決め手段及び前記位置検出手段は外乱光を遮断する遮光装置内に配置され、前記光学素子の位置を調整するときは前記位置検出手段の発光を開始し、前記試料を測定するときは前記位置検出手段の発光を停止し、前記光学素子の位置を調整する場合は、前記光測定装置に電源を投入後の最初の測定の場合、所定回数以上測定を実施した場合、前記試料を収容するウエルを複数有するマイクロプレートの特定の領域にあるウエルを測定する場合、のうち少なくとも1つの場合を含む
また本発明に係る請求項2に記載の光測定装置は、上記記載の発明である光測定装置において、複数の前記光学素子は、少なくともピンホールと、入射光の波長を選択的に透過、または反射する機能を備えたフィルタとを含む。
本発明の光測定装置によれば、外乱光とともに、装置内部で発生するノイズ光を有効に低減してS/N比の高い測定データを得ることができる。
[第1の実施の形態]
図1は、第1の実施の形態に係る光測定装置の概略の構成を示す図である。本実施の形態による光測定装置の本体部分の基本的な装置構成は共焦点光学顕微鏡をベースとしている。以下、図1を参照しつつ、光測定装置の構成と動作について説明する。
本光測定装置には2種類の光源が設けられている。光源1にはヘリウムネオン・レーザ(発振出力2mW、波長:633nm)を用い、光源2にはアルゴン・レーザ(発振出力10mW、波長:488nm)を用いる。
光源1、2からそれぞれシャッタ3、4を介して照射された光は、ミラーによって進行方向が変えられた後、ダイクロイック・ミラー5で合成されて1つの光路を進行する。1つにされた光ビームは、コリメートレンズでビーム直径を拡大した平行光ビームとなり、ダイクロイック・ミラー6で反射され、対物レンズ7に到達する。
対物レンズ7の上方には、マイクロプレート8が試料ステージ9に載置されて固定されている。そして、マイクロプレート8の所定のウエル内の領域に、対物レンズ7で集光した領域即ち、共焦点領域が形成されるように、マイクロプレート8の水平位置、垂直位置を試料ステージXY軸駆動機構10、及び対物レンズZ軸調整機構11により調整する。
なお、マイクロプレート8は一般的に用いられる樹脂、及びガラス製で96ウエル(試料を収容する円形あるいは四角形の溝)を備えたものを用いる。ただし、各ウエルの底面はガラスなどの可視光を透過する素材で作成された窓となっている(図示しない)。
また、対物レンズ7としては、例えば×40水浸対物レンズ(NA0.9)を用いている。そのため、マイクロプレート8の底面と対物レンズ7との先端部の間には、水が満たされている。
対物レンズ7で集光されたレーザ光は試料内の蛍光分子を励起するので、蛍光分子から蛍光が発せられる。蛍光物質としてローダミン・グリーン(Rhodamine Green:RhG)を用いる。ローダミン・グリーンは励起光のピーク波長が490nm付近にあり、発光波長は530nm付近にピークを持っている。従ってアルゴン・レーザでローダミン・グリーンを励起する。またサイファイヴ(Cy5)を用い、ヘリウムネオン・レーザで励起する。サイファイヴ(Cy5)は励起光のピーク波長が640nm付近にあり、発光波長は670nm付近にピークを持っている。
この蛍光は再び対物レンズ7、続いてダイクロイック・ミラー6に入射する。ここで、ダイクロイック・ミラー6はガラス製の平板の一方に多層膜コーティングを施して、透過、反射のスペクトル特性が最適になるように製作されている。そこで、蛍光は、ダイクロイック・ミラー6を通過して、集光レンズ12に到達し、集束光となってミラー13で反射され、遮光ボックス20内に入射する。
遮光ボックス20は、図2に示すように中空の箱状で、ステンレス、アルミニュムなどの金属からなり、側壁面に光導入孔と信号線取出し孔とが設けられており、装置の上から被せるように設置されている。この遮光ボックス内には、後述するピンホール21、コリメートレンズ24、光検出器26などが収められている。
遮光ボックス20内で、集光レンズ12のフォーカス位置には、ピンホール21が配置されている。このピンホール21には光位置検出器(不図示)とピンホール駆動装置23が取り付けられており、ピンホール21はピンホール駆動装置23により、X−Y−Z軸方向に位置調整できるようになっている。光位置検出器の検出値に基づいて求まった原点位置からの所定の距離だけピンホール駆動装置23を動作させることにより、集光レンズ12の焦点面とピンホール21の開口面とをほぼ一致させることができる。これは粗調整である。このピンホール21により、ウエル内に形成された光の共焦点領域外からのバックグラウンド光が除去される。更に、遮光ボックス20を設けることによって装置外部からの外乱光を除去することができる。
ピンホール21を通過した信号光はコリメートレンズ24により平行光とされてレンズ25に達し、レンズ25で光検出器26の受光面に集光される。光検出器26には光位置検出器(不図示)と光検出器駆動装置27が取り付けられており、光検出器の受光面は光検出器駆動装置27により、X−Y−Z軸方向に沿って位置調整できるようになっている。光位置検出器の検出信号に基づいて光検出器駆動装置27を動作させることにより、光検出器26の位置をほぼ最適な位置に設定することができる。以上を粗調整とする。
一方、コリメートレンズ24とレンズ25との間には、バリア・フィルタ切り替え機構29が設けられている。バリア・フィルタ切り替え機構29は、入射する信号光から所望の波長帯域の光を透過させるためのバリア・フィルタを複数装備し、それらのバリア・フィルタを切り替えて光路中に設定するための機構である。
図3は、バリア・フィルタ切り替え機構29の構成を示す図である。
バリア・フィルタ切り替え機構29は、架台30上に配設された光位置検出器31、バリア・フィルタ回転切り替え器32及びバリア・フィルタ回転切り替え器駆動装置33で構成されている。
バリア・フィルタ回転切り替え器32は、図3に示すように円板形状であり、その中心軸がバリア・フィルタ回転切り替え器駆動装置33と接続している。従って、バリア・フィルタ回転切り替え器駆動装置33を駆動することにより、その円板の中心を中心軸として回転できるように構成されている。
バリア・フィルタ回転切り替え器32の回転中心から一定距離、即ち同心円の円周上にその中心を一致させて、複数のバリア・フィルタ34が配列されている。従って、バリア・フィルタ回転切り替え器駆動装置33を駆動することにより、必要なバリア・フィルタ34をコリメートレンズ24により平行とされた光路中に配置することができる。上述のように、それぞれのバリア・フィルタ34の中心位置は、バリア・フィルタ回転切り替え器32の回転中心から同一の距離になっているため、バリア・フィルタ34は確実に光路中に配置される。
バリア・フィルタ34は蛍光の発光スペクトルに合わせて、透過光のスペクトルが調整されるようになっており、信号光となる蛍光の発光スペクトルの波長域の光のみが通過する。一方、蛍光の波長とバックグラウンド光の波長とは異なっている。従って、マイクロプレート8の所定のウエル内で発生する散乱光やウエルの壁などから反射して、入射光路に戻ってくる入射光の一部などのノイズ光をカットすることができる。
また、バリア・フィルタ回転切り替え器32の所定の位置には、位置検出用ターゲット35が取り付けられ、位置検出用ターゲット35は、バリア・フィルタ回転切り替え器32の回転に従って回転する。
図4は、光位置検出器31を示す図である。
図4の(1)は、光位置検出器31の斜視図である。光位置検出器31は、架台30と接続する取付部材36上にU字型の検出部37が設けられた構造である。この検出部37の、一方の側面には検出用の光源が設けられ、他方の側面には光センサが設けられている。
図4の(2)は、検出部37を拡大して横から見た図である。位置検出用の光源と光センサが向き合って保持され、これらの間を位置検出用ターゲット35が通過する。従って、位置検出用ターゲット35が光位置検出器31の光源と光センサとの間に位置したときは、光源からの光が遮られるため、光センサの出力がなくなる。例えば、この光センサの出力は位置検出用ターゲット35がないときには5Vであり、位置検出用ターゲット35が光センサの前にあるときには0Vとなる。この光センサの出力変化を観測することにより、バリア・フィルタ回転切り替え器32の回転位置の原点を検知することができる。即ち、光センサの出力が0Vになった位置を原点位置として、バリア・フィルタ回転切り替え器駆動装置33の回転駆動パルスをカウントすることにより、バリア・フィルタ回転切り替え器32の回転位置を知ることができる。
なお、光位置検出器31の光源は赤外のLED、または半導体レーザを用いることができる。また、光センサは半導体光センサを用いることができる。
図1において、光検出器26は例えばアバランシェ・フォトダイオード(略称:APD)、あるいは光電子増倍管などの微弱光検出器を用いる。ここで、光検出器26で受光する信号光は微弱光であり、フォトン・パルスとなっている。光検出器26によって、信号光は電気信号(光電流パルス)に変換され、信号処理装置40に入り、増幅され、波形整形されて、on−off電圧パルスとなって、コンピュータ41に導かれる。
この電圧パルスはコンピュータ41のメモリ(図示しない)に記憶され、続いて相関解析などの演算が行なわれる。これによって蛍光の強度はもとより、蛍光の寿命や、得られた蛍光の強度ゆらぎの自己相関関数、あるいは相互相関関数などの解析結果がコンピュータ41の表示装置42に提示される。
なお、光位置検出器31は、上述のように光検出方式を採用している。この理由は、接触式位置検出器や静電容量を利用した検出器などと比較すると、例えば半導体光位置検出器は安価で、また小型であり取り扱いにも優れているという特徴を備えているからである。しかしながら、光学素子の位置調整に光位置検出器を用いた場合、光位置検出器から発せられる光が、測定に用いられる光検出器にとってはノイズ光となるので、正しい測定を行なうためには、これを低減、または遮断する対策が必要である。
次に、このノイズ光対策内容を含め、光測定装置の測定動作について図5乃至図8を参照しつつ説明する。
図5は、コンピュータ41により自動的に測定を行う場合の手順を示すフロー図である。
ステップS01において、ユーザが光測定装置のメイン電源を投入したときは、コンピュータ41は、初期化動作を開始する。即ち、各種光学素子や試料ステージなどの可動部品の位置を初期位置に調整する。初期位置とは、原点から所定のステップカウントだけ光学素子を駆動した位置である。
例えば、バリア・フィルタ回転切り替え器32を初期位置に合わせる場合には、次のように動作させる。まず、位置検出用ターゲット35を回転し、光位置検出器31がこの位置検出用ターゲット35を検出した位置を原点とする。そして、この原点から予め定めた所定量だけバリア・フィルタ回転切り替え器32を回転し、その位置を初期位置とする。ピンホール10の初期位置、光検出器26の初期位置についても同様に、光位置検出器(不図示)の出力信号をモニターしながら、その出力値と所定の回転駆動パルス数に基づいて初期位置に設定する。
ステップS02において、ユーザが入力する、計測時間、測定に使用する光源の指定、測定対象とする複数ウエルの指定などの測定条件を獲得する。
ステップS03において、測定対象のウエルが対物レンズ7の直上に位置するように、試料ステージXY軸駆動機構10を駆動して試料ステージ9の水平位置を調整する。
ステップS04において、光学素子の位置を調整する必要があるかどうかを調べる。例えば、最初に測定する場合、所定数以上のウエルを測定した場合、マイクロプレート8の特定の領域にあるウエルを測定する場合など、予め定めた再調整の条件に合致するかどうかを調べる。
ステップS04においてYesの場合は、ステップS05〜S06において、光位置検出器の電源をオンとして、光学素子位置の調整を行う。まず光源1、2に対応するシャッタ3、4を開放して、対物レンズ7を通してウエル内の試料溶液に照射する。試料から発せられる蛍光信号を測定用の光検出器26で検出しながら、信号光が通過する光路内の光学素子を光軸方向、X−Y軸方向(水平方向)にそれぞれ位置調整し、光学素子の設置位置を最適化する。この際にも、各光学素子の位置調整のために光位置検出器を用いる。
例えば、ピンホール20、光検出器26の位置については、光位置検出器(不図示)の出力値で求まった原点位置と、所定の回転駆動パルス数に従い、ピンホール駆動装置23、光検出器駆動装置27を駆動して粗調整を行い、その後、シャッタを開いて、上述のように光検出器26の出力が最も高くなるように微調整を行うことで最適な位置に調整する。
そして、光学素子全ての位置調整が終了すると光位置検出器を使用する必要はなくなる。ここで光位置検出器の電源をオン状態にしたままだと、光がノイズとして光検出器26で検出されてしまう。そこで、ステップS07において、光学素子全ての位置調整が終了し、測定装置の光軸調整が終了すると、コンピュータ41は、光位置検出器の電源を切り、ノイズ光の発生を停止させる。遮光ボックス20で外乱光をカットし、遮光ボックス内で生じる光ノイズも光位置検出器の電源を切ることによってカットすることで、測定信号以外のノイズ光を除去する。
ステップS08において、計測が終了すると、ステップS09において、ユーザが指定した複数のウエルについて全ての計測が終了したかどうかを調べる。そして、まだ計測するウエルが残っている場合は、ステップS03からS09の処理を繰り返す。
即ち、試料ステージ9を駆動して、マイクロプレート8の平面位置を移動し、次に測定を行なうマイクロプレート8のウエル内の試料に位置合わせを行なう。このとき、ステップS04において、光学素子の位置を調整する必要がある場合は、光位置検出器の電源をONし、位置調整を再度実施する。そして、調整終了後、光位置検出器の電源をOFFする。
ステップS09において、ユーザが指定した複数のウエルについて全ての計測が終了した場合は、ステップS11において、計測によって得られたデータを表示装置42に表示する。
図6は、図5のステップS05〜S08の動作に対応したコンピュータ41の自動操作手順を示すフロー図である。
ステップT01〜T03において、コンピュータ41は、光位置検出器の電源をONとして、必要な光学素子の位置調整を行った後、光位置検出器の電源をOFFとする。そして、ステップT04において、計測スタートのコマンドを出力する。この計測スタートコマンドを受け取った、光測定装置の各部は所定の計測開始の一連の動作を実行する。例えば、シャッタ3,4を開放するなどである。そして、計測が終了したときは、ステップT06において、コンピュータ41は、計測終了のコマンドを出力する。この計測終了コマンドを受け取った、光測定装置の各部は所定の計測終了の一連の動作を実行する。例えば、シャッタ3,4を閉止するなどである。
第1の実施の形態によれば、位置調整を必要とする光学素子は装置内の外乱光を防止する遮光ボックス20に囲まれている。上述の光位置検出器の発光調整と遮光ボックス20との組み合わせによって、外乱光と光位置検出器からの迷光の両者をカットすることができるので、測定時のノイズ光を大幅に低減することができる。
〔第1の実施の形態の変形例1〕
第1の実施の形態の変形例1では、計測時に光位置検出器の電源をOFFし、計測終了で光位置検出器の電源をONするという動作は第1の実施の形態と同じだが、光測定装置のロジック回路を用いてその判断を行う点が異なっている。
図7は、光位置検出器の電源のON−OFFのロジックを示す図である。ステップT10に示すように、光学素子の位置調整を行うためのモーターに供給する光学素子位置駆動電源が働いているとき、あるいは、ステップT11に示すように、レーザ光源のシャッタが閉じているときは、計測が行われていないと判断して、ステップT12において、光位置検出器の電源をONする。一方、これらの2つの条件がともに成立していないときは計測中と見なし、光位置検出器の電源をOFFする。
変形例1では光源として用いているレーザのシャッタが開いていて、かつすべての光学素子を切り替えるための駆動源が働いていないとき(すなわち光学調整が終了して測定できる状態)では光位置検出器の電源を切るという制御を電気的に(電気回路上で)行ない、測定時に光位置検出器から発せられる光(赤外線)が迷光として光検出器で検出されることを防ぐことができる。
〔第1の実施の形態の変形例2〕
第1の実施の形態の変形例2では、計測時に光位置検出器の電源をOFFし、計測終了で光位置検出器の電源をONするという動作は第1の実施の形態と同じだが、光測定装置本体に光位置検出器の電源をオン、オフできるスイッチを設け、光学調整時には光位置検出器の電源をON、測定時には光位置検出器の電源をOFFという動作をオペレーターが手動で行なう。
図8は、図5のステップS05〜S08の動作に対応した変形例2に係る手順を示す図である。
ステップT16において、オペレータは、スイッチを操作して光位置検出器の電源をONとして、光学素子の位置調整開始をコンピュータ41に指示する。この指示を受け取ったコンピュータ41は、ステップT17において、必要な光学素子の位置調整を行った後、表示装置42に位置調整終了のメッセージを表示する。このメッセージを確認したオペレータは、ステップT18において、スイッチを操作して光位置検出器の電源をOFFとする。そして、計測開始をコンピュータに指示する。
ステップT19において、コンピュータ41は、一連の計測作業を開始する。即ち、計測スタートのコマンドを出力する。この計測スタートコマンドを受け取った、光測定装置の各部は所定の計測開始の一連の動作を実行する。例えば、シャッタ3,4を開放するなどである。そして、計測が終了したときは、コンピュータ41は、計測終了のコマンドを出力する。この計測終了コマンドを受け取った、光測定装置の各部は所定の計測終了の一連の動作を実行する。
変形例2では、迷光を防止する方法として、電気的な制御のほかに、光学調整が終わった時点で手動で光位置検出器の電源を切るなどによっても同様の効果を得ることができる。従って、簡易な構成の装置によって、所望の効果を実現することができる。
〔実機適用結果〕
以上説明した構成の光測定装置を用いて、光軸調整完了後、試料ステージ9にマイクロプレート8を設置し、ウエルに緩衝液(PBS:リン酸バッファー液)(蛍光物質は入っていない)を収容し、ヘリウム・ネオンレーザ(波長:633nm, 出力300μW)を照射した。この時得られる光検出器26からの出力値(カウントレート)を測定した。
そして、光位置検出器の電源をONにしたときの出力値と、光位置検出器の電源をOFFにしたときの出力値とを比較した。なお、測定時間は10秒である。
測定結果を図9に示す。蛍光物質が入っていない試料を含む溶液に励起光を照射しても、光検出器26から出力される光パルス信号(カウントレート:単位はcounts/sec,またはHz)は0.2〜0.5kHzであった。このとき、出力信号として得られたのは暗電流によるものと考えられる。一方、光位置検出器の電源をONにしたときは、光検出器26から出力される光パルス信号は、5〜6kHzであった。
この図9に示す結果から、光学調整に必要な位置検出器の光源が大きな内部ノイズ光となっていることがわかる。そして、本発明に係る光位置検出器のON−OFF操作によってこのノイズ光の影響が効果的に低減できることがわかる。
なお、本光測定装置で取り扱う光は、レーザに限定されるものではない。光源としてタングステンランプを用いることもでき、また検出する光は、蛍光のみでなく、燐光、発光、散乱光、反射光を対象とするものであっても良い。
〔本実施の形態の効果〕
光位置検出器による光学素子の位置や角度を検出し位置調整を行うため、複数の光源を用いた複雑な光学系の配置が可能であり、その際生じるノイズ光をカットすることができるので、精度の高い測定ができる。
光位置検出器の電源制御と遮光ボックスを組み合わせることによって、外乱光と装置内のノイズ光のどちらもカットできるので、S/N比の高い測定データを得ることができる。
光学素子の調整時には光位置検出器を用い、試料を測定する時には電源を切るという制御を行うことで、正しい光軸調整と高感度測定のどちらも実施することができる。
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
第1の実施の形態に係る光測定装置の概略の構成を示す図。 遮光ボックスを示す図。 バリア・フィルタ切り替え機構の構成を示す図。 光位置検出器を示す図。 コンピュータにより自動的に測定を行う場合の手順を示すフロー図。 コンピュータの自動操作手順を示すフロー図。 光位置検出器の電源のON−OFFのロジックを示す図。 変形例に係るコンピュータの自動操作手順を示すフロー図。 測定結果を示す図。
符号の説明
1…光源、2…光源、3…シャッタ、4…シャッタ、20…遮光ボックス、21…ピンホール、23…ピンホール駆動装置、24…レンズ、25…レンズ、26…光検出器、27…光検出器駆動装置、29…バリア・フィルタ切り替え機構、31…光位置検出器、32…バリア・フィルタ回転切り替え器、33…バリア・フィルタ回転切り替え器駆動装置、34…バリア・フィルタ、35…位置検出用ターゲット、37…検出部。

Claims (2)

  1. 試料に照射する照射光を出力する光源と、前記照射光を前記試料に照射した結果として発生する発生光を光検出器に導く導光光学系とを有する光測定装置において、
    前記導光光学系は、
    前記発生光を前記光検出器に受光させるための複数の光学素子と、
    複数の前記光学素子の配置を調整するための位置決め手段と、
    複数の前記光学素子の位置を光学的方法で検出する位置検出手段とを備え、
    複数の前記光学素子、前記位置決め手段及び前記位置検出手段は外乱光を遮断する遮光装置内に配置され、
    前記光学素子の位置を調整するときは前記位置検出手段の発光を開始し、前記試料を測定するときは前記位置検出手段の発光を停止し、
    前記光学素子の位置を調整する場合は、前記光測定装置に電源を投入後の最初の測定の場合、所定回数以上測定を実施した場合、前記試料を収容するウエルを複数有するマイクロプレートの特定の領域にあるウエルを測定する場合、のうち少なくとも1つの場合を含む
    ことを特徴とする光測定装置。
  2. 複数の前記光学素子は、少なくともピンホールと、入射光の波長を選択的に透過、または反射する機能を備えたフィルタとを含むことを特徴とする請求項1に記載の光測定装置。
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