JP6335272B2 - ナノ粒子合成用の連続フロー反応器 - Google Patents
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Description
図1及び図2には、ナノ粒子製造システム20の概念図が概略的に示されており、この概念図は、システムの具体例を提供する。システム20は、少なくとも4つのゾーン(それぞれ、1〜4)を通過する連続流路22を含む。ゾーン1においては、2種以上の前駆体32、34が、計量され、混合され、チューブ40を通過しており、ここでは、混合物が次のゾーンへと通過するのに伴って、窒素、アルゴンなどの反応的に不活性であるガス42がその内部に挿入されて、混合物のセグメントフローを提供する。例えば、開示されている一実施形態においては、2つの前躯体32、34は、還元剤と、1つ又は複数のカチオン前躯体と、であってもよい。或いは、2つの前躯体32、34は、1つ又は複数のアニオン前躯体と、1つ又は複数のカチオン前躯体であってもよい。
ゾーン1においては、少なくとも1つの前躯体32、好ましくは、少なくとも2つの前躯体32、34が、それぞれの貯蔵器から計量供給され、且つ、ゾーン2〜4を通じて延在する連続流路22内に適切な比率において計量供給される。流路22は、好ましくは1/16インチ〜1インチの、更に好ましくは1/4〜1/2インチの、内径を有するチューブ40である。
流路22を通じたこのゾーンは、核生成を開始するためのものである。エネルギー源50によって前躯体32、34のエネルギーレベルを迅速に増大させることにより、流路チューブ40内の溶液及び/又は前躯体は、1分以内で、好ましくは10秒以下で、更に好ましくは3秒未満以内で、より一層好ましくは2秒未満以内で、前躯体が核生成し、そして動力学的成長するエネルギーレベル(温度を含む)に迅速にされる。
COV=((粒子サイズの標準偏差)/(粒子サイズの平均))*100%
ここで、単一のランにおけるCOV<15%は、均一な粒子サイズを実証し、且つ、バッチの間におけるCOV<15%は、再現可能性を実証している。
Ni(O2CCH3)2+プロピレングリコール→Ni(0)ナノ粒子
AgNO3+エチレングリコール→Ag(0)ナノ粒子
Pb(オレイン酸塩)2+TMS2S→PbS(オレイン酸塩)ナノ粒子
これは、成長ゾーンである。この時点において、核には、(1)正しいコアサイズのナノ粒子又は量子ドットを形成するためのその他の核との組合せ、或いは、(2)厳密に制御されたペースにおけるナノ粒子/量子ドットの形成を可能とするエピタキシャル成長システムを形成するための未反応の前躯体との組合せ、という2つのプロセスのうちの1つが行われる。材料は、特定の望ましいコアサイズに成長するべく必要とされる時間にわたって成長ゾーン内において滞留され、その後に、材料は、ゾーン4に移送される。
流路は、ゾーン3を通過してゾーン4に継続し、ここで、反応は、急冷浴又はこれに類似したものなどの急冷システム86を使用することにより、降温により即座に停止される。ナノ粒子70の成長を急冷して停止させた後に、シェルの成長のために、且つ、容易なインライン分析の実行のために、より多くの材料を導入できるように、セグメント化が、脱ガス工程150(図7)によって除去される。
図1に示されているように、ナノ粒子の生成の後に、生成されたナノ粒子の品質を試験する試験システム72を設けることができる。例えば、動的光散乱(Dynamic Light Scattering:「DLS」)を使用することにより、生成された粒子の特性を試験することができる。その他の可能なインライン試験システムは、UV、VIS及びIRスペクトル、蛍光分析法、及び屈折率等の計測などの分光法である。
図1に示されているナノ粒子の生成の後に、生成後シェル適用システム100が設けられてもよい。図2に示されているように、シェル製作システムは、1つ又は複数の更なる前躯体(ここでは、前躯体170、172、174、及び176が示されている)を供給するための構造と、この下流における加熱のための補完的熱源61と、を含んでもよい。連続フローループ180が設けられてもよく、ここで、前躯体の任意の組合せを任意の所定のシェル層に適用することが可能であり、熱源61を通過させることにより、それぞれのナノ粒子上に複数のシェル層の形成を可能にすることができる。それぞれのシェル層の適用の後に、第2品質試験システム72’が設けられてもよい。この試験システム72’とシェル製作システムのコンポーネントとが制御システム80と動作可能な通信状態において、制御システム80は、必要に応じて、生成されるそれぞれのナノ粒子上におけるシェル層の品質を最適化するべく、シェル製作システムのリアルタイム変調を提供することができる。
図8に示されているように、2つのエネルギー源50及び2つの熱源60などの製造ラインの複数の冗長要素に、1つのコンポーネントが動作不能となった場合に、代替コンポーネントを通じて流路22の供給先変更が可能となるように、個々の前躯体32、24と、弁300又はこれに類似したもので相互接続可能なナノ粒子フロー22経路との冗長なセットが備えられてもよい。
図10に概略的に示されているように、ゾーン2内のエネルギー源50がマイクロ波オーブンである場合には、ゾーン3内の成長エリア加熱源60を加熱することによって支援するべく、過剰なマイクロ波エネルギーを誘導してもよい。例えば、一連のミラー又はこれに類似したものを過剰なマイクロ波を収集し、これらを熱に変換するゴムなどのヒートシンクに誘導することができる。
H2X
ここで、X=O、S、Se、Teである。
R3P=X
ここで、R=−H、−(CH2)n−CH3、−C6H5、−C6H4−R’であり、
n=3〜18であり、
R’=−(CH2)m−CH3、−CH(CH3)2、−C(CH3)3であり
m=0〜17であり、
X=Se、Teである。
R3N=X
ここで、R=−H、−(CH2)n−CH3、−Si(CH3)3であり、
n=0〜4であり、
X=S、Se、Teである。
((CH3)3Si)2X
ここで、X=S、Se、Teである。
(((CH3)3Si)2N)2X
ここで、X=S、Se、Teである。
H−X−(CH2)n−CH3
ここで、X=O、S、Se、Teであり、
n=1〜18であり、好ましくは、n=4〜12であり、更に好ましくは、n=8〜10である。
HO−CH2−(CH(OH))n−CH3
n=1〜50であり、好ましくは、n=1〜25であり、更に好ましくは、n=1〜5である。
HO−CH2−(CH(OH))n−CH2−OH
n=1〜50であり、好ましくは、n=1〜25であり、更に好ましくは、n=1〜5である。
H2NNH2
NaBH4
NaCNBH3
及びこれらの混合物であり、
これには、アニオン性前躯体及び/又は還元剤が含まれる。
M(リガンド)y
y=1のとき、M=Tl、Ag、Cuであり、
y=2のとき、M=Zn、Cd、Hg、Cu、Pb、Niであり、
y=3のとき、M=Al、Ga、B、In、Bi、Feであり、
リガンド=−(O2C−(CH2)n−CH3)、−(O2C−(CH2)m−CH=CH−(CH2)o−CH3)、−S−(CH2)n−CH3、−PR3、−OPR3であり、
n=2〜24であり、好ましくは、n=8〜20であり、更に好ましくは、n=12〜16であり、
m及びo=1〜15であり、好ましくは、n及びo=12〜16であり、更に好ましくは、n及びo=7〜9であり、
R=−(CH2)pCH3、−C6H5、−C6H4−R’であり、
p=0〜18であり、
R’=−(CH2)p−CH3、−CH(CH3)2、−C(CH3)3である。
又はこれらの混合物。
M(リガンド)y
y=1のとき、M=Na、K、Rb、Cs、Ag、Cuであり、
y=2のとき、M=Mg、Ca、Sr、Ba、Pd、Pt、Cu、Niであり、
y=3のとき、M=La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Auであり、
y=4のとき、M=Ti、Zr、Hf、Pt、Pdであり、
リガンド=−O2C−CH3、−Cl、−F、−NO3である。
又はこれらの混合物。
Claims (20)
- 少なくとも第1前躯体と少なくとも第2前躯体とを1つに混合し、連続流路内においてチューブを下流に移動する前躯体の混合物を形成し;
前記前躯体の混合物のセグメント間にパーティションを生成し、これにより、前記前躯体の混合物が前記チューブ内において前記流路を下流に移動する際に、セグメント内で前記前躯体の混合物が混合されるように、前記流路が前記第1エネルギー源に進入する前に不混和性ガスのプラグを連続流路内の前記混合物に挿入し;
前記前躯体の混合物にマイクロ波エネルギーを印加する第1エネルギー源を通じて前記連続流路を延在させ、第1エネルギーレベルにおいて第1持続時間にわたって前記チューブ内の前記前躯体の混合物を均一に活性化し、これにより、前記前躯体の混合物の均一な核生成を可能にし;
制御された温度において第2持続時間にわたって加熱源を通じて前記連続流路を延在させ、予め形成された核の周囲における均一な熱力学的成長を可能にして望ましいコアサイズのナノ粒子を形成し;そして、
前記ナノ粒子の前記成長を急冷して停止することを含み、
前記チューブは、1.58mm〜25.40mmの内径を有する、均一サイズのナノ粒子を生成する方法。 - 少なくとも第1前躯体と少なくとも第2前躯体とを1つに混合し、連続流路内においてチューブを下流に移動する前躯体の混合物を形成し;
前記前躯体の混合物のセグメント間にパーティションを生成し、これにより、前記前躯体の混合物が前記チューブ内において前記流路を下流に移動する際に、セグメント内で前記前躯体の混合物が混合されるように、前記流路が前記第1エネルギー源に進入する前に不混和性ガスのプラグを連続流路内の前記混合物に挿入し;
前記前躯体の混合物にマイクロ波エネルギーを印加する第1エネルギー源を通じて前記連続流路を延在させ、第1エネルギーレベルにおいて第1持続時間にわたって前記チューブ内の前記前躯体の混合物を均一に活性化し、これにより、前記前躯体の混合物の均一な核生成を可能にし;
制御された温度において第2持続時間にわたって加熱源を通じて前記連続流路を延在させ、予め形成された核の周囲における均一な熱力学的成長を可能にして望ましいコアサイズのナノ粒子を形成し;そして、
前記ナノ粒子の前記成長を急冷して停止することを含み、
前記マイクロ波エネルギーは、前記第1及び第2前躯体が同時に核生成し、これにより、均質なナノ粒子を生成するようにする周波数において動作する、均一サイズのナノ粒子を生成する方法。 - 前記マイクロ波エネルギーは、単一モード、マルチモード、又はマルチ可変周波数である請求項1又は2に記載の方法。
- 不混和性ガスのプラグの前記混合物への挿入が、加圧されたガスを前記連続流路内に提供することを含む請求項1又は2に記載の方法。
- 前記不混和性ガスは、前記マイクロ波エネルギー、前記前躯体、及び前記ナノ粒子に対して不活性且つ非反応性である請求項1又は2に記載の方法。
- 前記不混和性ガスは、窒素及びアルゴンからなる群から選択される請求項5に記載の方法。
- 前記第1持続時間は、60秒以下である請求項1又は2に記載の方法。
- センサ、アクチュエータ、及びコンピュータシステムに動作可能に接続された制御システムを更に含み、前記センサは、生成されるナノ粒子の品質を監視し、且つ、前記制御システムは、前記生成されるナノ粒子の検出品質に応答して、前記第1持続時間、第1エネルギーレベル、第2持続時間、及び温度を調節するべく、前記アクチュエータを変調する請求項1又は2に記載の方法。
- 下記群B及びCからの、異なるマイクロ波吸収断面を有する、2つ以上の前躯体の混合物は、前記前躯体が、前記エネルギー源を通じて移動しながら同一の速度で下記群Aの前躯体と核を形成する方法により、前記マイクロ波と相互作用する請求項1又は2に記載の方法。
群A
H 2 X
ここで、X=O、S、Se、Teである。
R 3 P=X
ここで、R=−H、−(CH 2 ) n −CH 3 、−C 6 H 5 、−C 6 H 4 −R’であり、
n=3〜18であり、
R’=−(CH 2 ) m −CH 3 、−CH(CH 3 ) 2 、−C(CH 3 ) 3 であり
m=0〜17であり、
X=Se、Teである。
R 3 N=X
ここで、R=−H、−(CH 2 ) n −CH 3 、−Si(CH 3 ) 3 であり、
n=0〜4であり、
X=S、Se、Teである。
((CH 3 ) 3 Si) 2 X
ここで、X=S、Se、Teである。
(((CH 3 ) 3 Si) 2 N) 2 X
ここで、X=S、Se、Teである。
H−X−(CH 2 ) n −CH 3
ここで、X=O、S、Se、Teであり、
n=1〜18である。
HO−CH 2 −(CH(OH)) n −CH 3
n=1〜50である。
HO−CH 2 −(CH(OH)) n −CH 2 −OH
n=1〜50である。
H 2 NNH 2
NaBH 4
NaCNBH 3
及びこれらの混合物であり、
これには、アニオン性前躯体及び/又は還元剤が含まれる。
群B
M(リガンド) y
y=1のとき、M=Tl、Ag、Cuであり、
y=2のとき、M=Zn、Cd、Hg、Cu、Pb、Niであり、
y=3のとき、M=Al、Ga、B、In、Bi、Feであり、
リガンド=−(O 2 C−(CH 2 ) n −CH 3 )、−(O 2 C−(CH 2 ) m −CH=CH−(CH 2 ) o −CH 3 )、−S−(CH 2 ) n −CH 3 、−PR 3 、−OPR 3 であり、
n=2〜24であり、
m及びo=1〜15であり、
R=−(CH 2 ) p CH 3 、−C 6 H 5 、−C 6 H 4 −R’であり、
p=0〜18であり、
R’=−(CH 2 ) p −CH 3 、−CH(CH 3 ) 2 、−C(CH 3 ) 3 である。
又はこれらの混合物。
群C
M(リガンド) y
y=1のとき、M=Na、K、Rb、Cs、Ag、Cuであり、
y=2のとき、M=Mg、Ca、Sr、Ba、Pd、Pt、Cu、Niであり、
y=3のとき、M=La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Auであり、
y=4のとき、M=Ti、Zr、Hf、Pt、Pdであり、
リガンド=−O 2 C−CH 3 、−Cl、−F、−NO 3 である。
又はこれらの混合物。
- 前記第1持続時間における前記第1及び第2前躯体の前記核生成は、均一なナノ粒子を生成する請求項9に記載の方法。
- 連続プロセスを使用し、下記群Aからの少なくとも第3前躯体及び下記群B及び群Cからの第4前躯体の混合物に前記ナノ粒子を曝露させる工程と;
熱源内において前記曝露されたナノ粒子を加熱し、前記ナノ粒子の周囲に第1シェルを形成する工程と;
を更に含む請求項1又は2に記載の方法。
群A
H 2 X
ここで、X=O、S、Se、Teである。
R 3 P=X
ここで、R=−H、−(CH 2 ) n −CH 3 、−C 6 H 5 、−C 6 H 4 −R’であり、
n=3〜18であり、
R’=−(CH 2 ) m −CH 3 、−CH(CH 3 ) 2 、−C(CH 3 ) 3 であり
m=0〜17であり、
X=Se、Teである。
R 3 N=X
ここで、R=−H、−(CH 2 ) n −CH 3 、−Si(CH 3 ) 3 であり、
n=0〜4であり、
X=S、Se、Teである。
((CH 3 ) 3 Si) 2 X
ここで、X=S、Se、Teである。
(((CH 3 ) 3 Si) 2 N) 2 X
ここで、X=S、Se、Teである。
H−X−(CH 2 ) n −CH 3
ここで、X=O、S、Se、Teであり、
n=1〜18である。
HO−CH 2 −(CH(OH)) n −CH 3
n=1〜50である。
HO−CH 2 −(CH(OH)) n −CH 2 −OH
n=1〜50である。
H 2 NNH 2
NaBH 4
NaCNBH 3
及びこれらの混合物であり、
これには、アニオン性前躯体及び/又は還元剤が含まれる。
群B
M(リガンド) y
y=1のとき、M=Tl、Ag、Cuであり、
y=2のとき、M=Zn、Cd、Hg、Cu、Pb、Niであり、
y=3のとき、M=Al、Ga、B、In、Bi、Feであり、
リガンド=−(O 2 C−(CH 2 ) n −CH 3 )、−(O 2 C−(CH 2 ) m −CH=CH−(CH 2 ) o −CH 3 )、−S−(CH 2 ) n −CH 3 、−PR 3 、−OPR 3 であり、
n=2〜24であり、
m及びo=1〜15であり、
R=−(CH 2 ) p CH 3 、−C 6 H 5 、−C 6 H 4 −R’であり、
p=0〜18であり、
R’=−(CH 2 ) p −CH 3 、−CH(CH 3 ) 2 、−C(CH 3 ) 3 である。
又はこれらの混合物。
群C
M(リガンド) y
y=1のとき、M=Na、K、Rb、Cs、Ag、Cuであり、
y=2のとき、M=Mg、Ca、Sr、Ba、Pd、Pt、Cu、Niであり、
y=3のとき、M=La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Auであり、
y=4のとき、M=Ti、Zr、Hf、Pt、Pdであり、
リガンド=−O 2 C−CH 3 、−Cl、−F、−NO 3 である。
又はこれらの混合物。
- 連続プロセスを使用し、少なくとも、少なくとも第5前躯体及び第6前躯体の混合物に前記ナノ粒子を曝露させる工程と;
前記曝露されたナノ粒子を熱源内において加熱し、前記ナノ粒子の周囲に2つの層を有する第2シェルを形成する工程と;
を更に含む請求項11に記載の方法。 - 連続プロセスを使用し、少なくとも下記群Aからの第5前躯体及び下記群B又は群Cからの第6前躯体の混合物に前記ナノ粒子を曝露させる工程と;
前記曝露されたナノ粒子を補完的熱源によって加熱し、前記ナノ粒子の周囲に2つの層を有するシェルを形成する工程と;
を更に含む請求項12に記載の方法。
群A
H 2 X
ここで、X=O、S、Se、Teである。
R 3 P=X
ここで、R=−H、−(CH 2 ) n −CH 3 、−C 6 H 5 、−C 6 H 4 −R’であり、
n=3〜18であり、
R’=−(CH 2 ) m −CH 3 、−CH(CH 3 ) 2 、−C(CH 3 ) 3 であり
m=0〜17であり、
X=Se、Teである。
R 3 N=X
ここで、R=−H、−(CH 2 ) n −CH 3 、−Si(CH 3 ) 3 であり、
n=0〜4であり、
X=S、Se、Teである。
((CH 3 ) 3 Si) 2 X
ここで、X=S、Se、Teである。
(((CH 3 ) 3 Si) 2 N) 2 X
ここで、X=S、Se、Teである。
H−X−(CH 2 ) n −CH 3
ここで、X=O、S、Se、Teであり、
n=1〜18である。
HO−CH 2 −(CH(OH)) n −CH 3
n=1〜50である。
HO−CH 2 −(CH(OH)) n −CH 2 −OH
n=1〜50である。
H 2 NNH 2
NaBH 4
NaCNBH 3
及びこれらの混合物であり、
これには、アニオン性前躯体及び/又は還元剤が含まれる。
群B
M(リガンド) y
y=1のとき、M=Tl、Ag、Cuであり、
y=2のとき、M=Zn、Cd、Hg、Cu、Pb、Niであり、
y=3のとき、M=Al、Ga、B、In、Bi、Feであり、
リガンド=−(O 2 C−(CH 2 ) n −CH 3 )、−(O 2 C−(CH 2 ) m −CH=CH−(CH 2 ) o −CH 3 )、−S−(CH 2 ) n −CH 3 、−PR 3 、−OPR 3 であり、
n=2〜24であり、
m及びo=1〜15であり、
R=−(CH 2 ) p CH 3 、−C 6 H 5 、−C 6 H 4 −R’であり、
p=0〜18であり、
R’=−(CH 2 ) p −CH 3 、−CH(CH 3 ) 2 、−C(CH 3 ) 3 である。
又はこれらの混合物。
群C
M(リガンド) y
y=1のとき、M=Na、K、Rb、Cs、Ag、Cuであり、
y=2のとき、M=Mg、Ca、Sr、Ba、Pd、Pt、Cu、Niであり、
y=3のとき、M=La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Auであり、
y=4のとき、M=Ti、Zr、Hf、Pt、Pdであり、
リガンド=−O 2 C−CH 3 、−Cl、−F、−NO 3 である。
又はこれらの混合物。
- 連続プロセスを使用し、少なくとも前記群Aからの第7前躯体及び前記群B又は群Cからの第8前躯体の混合物に前記ナノ粒子を曝露させる工程と;
前記曝露された粒子を加熱源内において加熱し、前記ナノ粒子の周囲に3つの層を有するシェルを形成する工程と;
を更に含む請求項13に記載の方法。 - 前記ナノ粒子の前記成長を急冷して停止させる前記工程の後に、前記混合物から前記プラグを取り除く工程を更に含む請求項6に記載の方法。
- 前記チューブは、1.58mm〜25.40mmの内径を有する請求項2に記載の方法。
- 前記ナノ粒子を第3前躯体及び第4前躯体の混合物に曝露する;そして
前記第3及び第4前躯体の前記混合物に熱を印加し、前記ナノ粒子の周囲にシェル層を形成する;
ことを更に含む請求項1又は2に記載の方法。 - 前記第1前躯体は、下記群Aからなる群から選択される請求項1又は2に記載の方法。
群A
H 2 X
ここで、X=O、S、Se、Teである。
R 3 P=X
ここで、R=−H、−(CH 2 ) n −CH 3 、−C 6 H 5 、−C 6 H 4 −R’であり、
n=3〜18であり、
R’=−(CH 2 ) m −CH 3 、−CH(CH 3 ) 2 、−C(CH 3 ) 3 であり
m=0〜17であり、
X=Se、Teである。
R 3 N=X
ここで、R=−H、−(CH 2 ) n −CH 3 、−Si(CH 3 ) 3 であり、
n=0〜4であり、
X=S、Se、Teである。
((CH 3 ) 3 Si) 2 X
ここで、X=S、Se、Teである。
(((CH 3 ) 3 Si) 2 N) 2 X
ここで、X=S、Se、Teである。
H−X−(CH 2 ) n −CH 3
ここで、X=O、S、Se、Teであり、
n=1〜18である。
HO−CH 2 −(CH(OH)) n −CH 3
n=1〜50である。
HO−CH 2 −(CH(OH)) n −CH 2 −OH
n=1〜50である。
H 2 NNH 2
NaBH 4
NaCNBH 3
及びこれらの混合物であり、
これには、アニオン性前躯体及び/又は還元剤が含まれる。 - 前記第2前躯体は、下記群B及び下記群Cからなる群から選択される請求項18に記載の方法。
群B
M(リガンド) y
y=1のとき、M=Tl、Ag、Cuであり、
y=2のとき、M=Zn、Cd、Hg、Cu、Pb、Niであり、
y=3のとき、M=Al、Ga、B、In、Bi、Feであり、
リガンド=−(O 2 C−(CH 2 ) n −CH 3 )、−(O 2 C−(CH 2 ) m −CH=CH−(CH 2 ) o −CH 3 )、−S−(CH 2 ) n −CH 3 、−PR 3 、−OPR 3 であり、
n=2〜24であり、
m及びo=1〜15であり、
R=−(CH 2 ) p CH 3 、−C 6 H 5 、−C 6 H 4 −R’であり、
p=0〜18であり、
R’=−(CH 2 ) p −CH 3 、−CH(CH 3 ) 2 、−C(CH 3 ) 3 である。
又はこれらの混合物。
群C
M(リガンド) y
y=1のとき、M=Na、K、Rb、Cs、Ag、Cuであり、
y=2のとき、M=Mg、Ca、Sr、Ba、Pd、Pt、Cu、Niであり、
y=3のとき、M=La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Auであり、
y=4のとき、M=Ti、Zr、Hf、Pt、Pdであり、
リガンド=−O 2 C−CH 3 、−Cl、−F、−NO 3 である。
又はこれらの混合物。 - 前記第3前躯体は前記群Aからなる群から選択され、そして、第4前躯体は前記群B及び前記群Cからなる群から選択される請求項19に記載の方法。
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