KR101210899B1 - 휴대용 형광 검출 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 휴대용 형광 검출 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게 각종 형광물질에 대한 검출 키트로 사용될 수 있도록 렌즈 및 레이저를 사용하지 않고, 형광물질을 여기 시키는 광원과, 곡면의 반사면3을 이용하여 검출 효율을 증대시키기 위한 곡면반사부와, 교체 가능하도록 설치되는 필터부를 포함하여 형성됨으로써, 간편하게 휴대할 수 있고, 복수의 형광을 짧은 시간이 검출할 수 있어 빠른 진단이 가능하며, 렌즈, 레이저 및 빛살 가르개와 같은 복잡하고 고가의 장비들을 사용하지 않을 수 있어 비용절감이 가능한 휴대용 형광 검출 시스템에 관한 것이다.

Description

휴대용 형광 검출 시스템{Portable Fluorescence Detection System}
본 발명은 휴대용 형광 검출 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게 각종 형광물질에 대한 검출 키트로 사용될 수 있도록 렌즈 및 레이저를 사용하지 않고, 형광물질을 여기 시키는 광원과, 곡면의 반사면3을 이용하여 검출 효율을 증대시키기 위한 곡면반사부와, 교체 가능하도록 설치되는 필터부를 포함하여 형성됨으로써, 간편하게 휴대할 수 있고, 복수의 형광을 짧은 시간이 검출할 수 있어 빠른 진단이 가능하며, 렌즈, 레이저 및 빛살 가르개와 같은 복잡하고 고가의 장비들을 사용하지 않을 수 있어 비용절감이 가능한 휴대용 형광 검출 시스템에 관한 것이다.
현재 DNA 칩 또는 멤브레인을 이용한 단백질 칩에 대해 형광을 검출하는 방법으로는 레이저 유발 형광 검출법(Laser induced fluorescing detection)이 대표적으로 이용되고 있다. 레이저 유발 형광 검출법은 형광물질이 흡수하는 파장의 들뜸 광원으로 레이저를 사용하여 형광물질을 여기 상태(excited state)로 만들고 다시 바닥상태(ground state)로 이동되면서 나오는 형광의 세기를 측정하는 것이며 각 형광의 세기에 비례하여 형광 물질의 농도를 알 수 있다. 이러한 방법으로 DNA 또는 단백질 시료에 형광물질을 추가하여 정량 분석을 할 수 있다.
레이저 유발 형광 검출법을 이용하여 형광을 검출하는 장치 중에서 가장 많이 사용되는 것은 도 1에 도시된 공초점 레이저 스캐닝 장치(10 : Confocal laser scanning system)이다. 상기 공초점 레이저 스캐닝 장치(10)는 레이저를 광원으로 이용하고 표본으로부터 발산된 형광 신호를 별도의 특수 검출기인 광전자증배기 튜브(Photo multiplier tube)로 받아들인 후 디지털 영상으로 변환시키는 것이다. 즉, 레이저 광원을 사용하여 표본에 표지한 형광물질에 적합한 파장대의 빛만을 조사(excitation)하여 형광의 발광(emission)을 유도한다. 이때 빛살 가르개(beam splitter) 등 다양한 종류의 필터를 선택할 수 있으며, 최종적으로 공간필터(pin hole)를 검출기 앞에 위치시켜 초점이 맞는 상만을 받아 볼 수 있도록 구성되어 있다.
도 2에 도시된 레이저 유발 표면형광 검출 장치(20)는 타원반사경(23)의 제1초점의 위치에 배치된 시료에 입사광선을 투사하여 형광을 발생시키고, 형광 및 입사광의 산란광이 제2초점에 집속된 후, 형광을 평행광으로 가공하여 표면형광을 검출하는 장치이다.
상기 레이저 유발 표면형광 검출 장치(20)는 레이저(21)의 빛이 여기 필터(22)를 통과하고 여기 필터와 시료제어 수단(24)사이에 배치되어 있는 타원반사경(23)의 중간 지점에 위치한 구멍을 통과한다.
상기 타원반사경(23)을 통과한 빛은 시료 제어수단(24)에 고정되어 있는 시료(24 : DNA 칩 또는 단백질 칩) 면에 적절한 크기로 집속된다. 이 집속점은 타원반사경(23)의 제1초점에 위치하고 있다.
제1초점에서 발광된 형광과 입사광의 산란광은 타원반사경(23)에 의해 반사되어 타원거울의 제2초점으로서 공간필터(25)로 집속된다. 공간필터는 시료의 표면에 위치한 먼지 등에 의한 노이즈를 제거하는 작용을 한다.
공간필터를 통과한 빛은 평행광학계(collimator)(26)에 의하여 평행광으로 변형된다. 평행광학계를 지나면서 형성된 평행광은 형광필터(28)를 지나면서 산란광은 걸러지고 순수한 형광성분만이 광검출기(27)로 입사한다. 광검출기(27)로 입사된 형광은 이의 세기(fluorescence intensity)를 표시하는 신호로 컴퓨터(29)로 전송되어 분석 처리된다.
하지만, 상기 공초점 레이저 스캐닝 장치 및 상기 레이저 유발 검출 장치는 렌즈, 빛살 가르개, 레이저 등 시스템이 복잡하고 고가의 장비들을 필요로 한다.
신종 플루, 조류 인플루엔자 등 전염성이 매우 강한 바이러스는 신속한 현장 검출이 중요하지만, 상기 공초점 레이저 스캐닝 장치 및 상기 레이저 유발 검출 장치의 경우 고가이며 검출에 긴 시간 등을 필요로 하기 때문에 적합하지 않다.
또한, 공초점 레이저 스캐닝 장치 및 상기 레이저 유발 검출 장치는 각종 바이러스에 대한 긴급ㆍ휴대용 검출 키트로 사용되는데 한계가 있으므로, 현미경, 분광기 등을 대신하여 소형의 휴대 가능한 진단기기의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 각종 바이러스에 대한 검출 키트로 사용될 수 있도록 렌즈 및 레이저를 비롯한 다수의 광학기기들을 사용하지 않고, 형광물질을 여기 시키는 LED 광원과, 곡면의 반사면을 이용하여 검출 효율을 증대시키기 위한 곡면반사부와, 교체 가능하도록 설치되는 필터부를 포함하여 형성됨으로써, 간편하게 휴대할 수 있고, 복수의 형광을 짧은 시간이 검출할 수 있어 빠른 진단이 가능하며, 렌즈, 레이저 및 빛살 가르개와 같은 복잡하고 고가의 장비들을 사용하지 않을 수 있어 비용절감이 가능한 휴대용 형광 검출 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템은 DNA 칩 또는 멤브레인을 이용한 단백질 칩에 대해 시료(600)의 형광을 검출하는 형광 검출 시스템에 있어서, 광이 출사되는 광원(100); 판 형상의 회전부(300); 상기 광원(100)으로부터 출사된 광을 여기 시키며, 상기 회전부(300)의 일측면에 설치되고, 교체 가능한 필터부(200); 내측으로 함입되어 내면의 거울이 곡면 형태로 형성되며, 상기 회전부(300)의 상기 필터부(200)가 장착되는 측과 반대되는 타측에 위치되도록 설치되고, 외면 일정 영역에 상기 광원(100)이 설치되는 곡면반사부(400); 및 상기 필터부(200)의 상기 회전부(300)에 장착되는 측과 반대되는 타측에 설치되며, 상기 광원(100)에서 발생된 빛에 의해 시료(600)의 형광물질이 여기 되어 발생된 광신호를 검출하여 전기적 신호로 바꾸어 주는 광검출기(500); 를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 광원(100)은 LED(발광 다이오드)의 동작에 의해 광이 출사되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 필터부(200)는 상기 회전부(300)의 일측면에 일정 간격 이격되어 복수개 설치되되, 각각 서로 다른 파장대의 형광이 투과되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전부(300)는 상기 필터부(200)가 회전에 의해 교체될 수 있도록 중심에 회전축(310)이 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수개의 필터부(200)는 중심이 동일한 원주 상에 위치되도록 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 곡면반사부(400)는 상기 필터부(200)와 중심이 동일한 수직선상에 위치되도록 상기 회전부(300)의 상기 필터부(200)가 장착되는 측과 반대되는 타측에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 상기 광원(100)이 상기 곡면반사부(400) 단부의 중심에 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 곡면반사부(400)의 내면은 PDMS, 에폭시 수지, 플라스틱, 유리, 금속 중 어느 하나로 제작되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 상기 회전부(300)의 회전축(310)에 모터가 설치되어 상기 회전부(300)가 회전축(310)을 중심으로 일정 속도로 회전 운동하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템은 각종 형광물질에 대한 검출 키트로 사용되는 것으로 렌즈 및 레이저를 사용하지 않고, 형광물질을 여기 시키는 LED 광원과, 곡면의 반사면을 이용하여 검출 효율을 증대시키기 위한 곡면반사부와, 교체 가능하도록 설치되는 필터부를 포함하여 형성됨으로써, 간편하게 휴대할 수 있어 신종 플루, 조류 인플루엔자 등 전염성이 매우 강한 병원균 또는 형광물질의 현장 검출이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템은 렌즈, 레이저 및 빛살 가르개와 같은 복잡하고 고가의 장비들을 사용하지 않아 시스템이 간소화되고, 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템은 곡면의 반사면을 이용하여 검출 효율을 증대시키고, 필터를 교체 가능하게 제작하여 별도의 분광기를 사용하지 않으면서 복수의 형광을 짧은 시간에 검출할 수 있어 빠른 진단이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 레이저 유발 형광 검출 장치를 나타낸 구성도
도 2는 종래의 타원반사경 레이저 유발 표면형광 검출 장치를 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 휴대용 형광 검출 시스템의 작동원리를 간략히 나타낸 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 휴대용 형광 검출 시스템을 나타낸 사시도.
도 5는 곡면반사경이 있는 경우와 곡면 반사경이 없는 경우를 나타낸 그림.
이하, 상술한 바와 같은 본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 1은 종래의 레이저 유발 형광 검출 장치를 나타낸 구성이며, 도 2는 종래의 타원반사경 레이저 유발 표면형광 검출 장치를 나타낸 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 휴대용 형광 검출 시스템의 작동원리를 간략히 나타낸 구성도이며, 도 4는 본 발명에 따른 휴대용 형광 검출 시스템을 나타낸 사시도이고, 도 5는 곡면반사경이 있는 경우와 곡면 반사경이 없는 경우를 나타낸 그림이다.
본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 DNA 칩 또는 멤브레인을 이용한 단백질 칩에 대해 시료(600)의 형광을 휴대가 간편하고 빠르게 검출하기 위한 장치로, 크게 광원(100), 회전부(300), 필터부(200), 곡면반사부(400) 및 광검출기(500)를 포함하여 형성된다.
상기 광원(100)에서는 광이 출사된다.
특히, 본 발명은 상기 광원(100)이 LED(발광 다이오드)일 수 있는데, LED는 소형이고, 수명이 길며, 다양한 파장을 가지고, 저가에 쉽게 구입할 수 있으며, 단색과 백색광에 이르기까지 선택의 폭이 매우 넓다는 장점이 있다.
따라서 LED는 자연계에 알려진 다양한 형광효율이 우수한 분자들을 활용하고, 각각에 맞는 LED 파장을 대응시킴으로써, 휴대용 형광 검출 시스템(1)의 광원으로 적절히 적용될 수 있다.
물론, 상기 광원(100)은 기존의 레이저를 사용할 수도 있으나, 형광 여기를 위해 주로 사용되는 반도체 레이저는 기존 가스 레이저 등에 비해 크기가 많이 작아졌지만, 선택할 수 있는 파장이 제한적이며, 특정 파장 대역 외에는 매우 고가이거나 수급이 어려운 문제점이 있어 휴대용 형광 검출 시스템(1)의 광원으로 적합하지 않다는 단점이 있다.
한편, 상기 회전부(300)는 판 형상으로 형성되며, 상기 필터부(200)는 상기 광원(100)으로부터 출사된 광을 여기 시키고, 상기 회전부(300)의 일측면에 설치된다.
상기 곡면반사부(400)는 내측으로 함입되어 내면의 거울이 곡면을 이루도록 형성되며, 상기 회전부(300)의 상기 필터부(200)가 장착되는 측과 반대되는 타측에 위치되도록 설치되고, 외면 일정 영역에 상기 광원(100)이 설치된다.
이 때, 상기 곡면반사부(400)는 반구, 반타원, 포물선형 또는 1/4 구 형태와 같이 내측으로 함입되어 내면의 거울이 곡면을 이루는 형태 중 어떤 것이라도 사용가능하다.
상기 광검출기(500)는 상기 필터부(200)의 상기 회전부(300)에 장착되는 측과 반대되는 타측에 설치되며, 상기 광원(100)에서 발생된 빛에 의해 시료(600)의 형광물질이 여기 되어 발생된 광신호를 검출하여 전기적 신호로 바꾸어 준다.
이 때, 상기 광검출기(500)는 검출하는 광신호의 종류에 따라 다이오드형 광검출 소자, 광전도체형 광검출 소자, 카메라, CCD ,CMOS sensor 등이 사용될 수 있다.
또한, 상기 광검출기(500)는 상기와 같은 별도의 구성요소를 제거하고 사용자의 눈으로 색 판단을 하는 육안 검출도 가능하다.
상기 휴대용 형광 검출 시스템(1)에서 상기 필터부(200)는 상기 광검출기(500)로 들어가는 형광 빛은 통과 시키며, 상기 광원(100)의 빛은 차단하는 역할을 한다.
상기 필터부(200)는 상기 회전부(300)의 일측면에 일정 간격 이격되어 설치되되, 각각 서로 다른 파장대의 형광이 투과되도록 형성될 수 있으며, 복수개의 상기 필터부(200) 중심이 동일한 원주 상에 위치되도록 설치되는 바람직하다.
상기 필터부(200)는 위치에 따라 다른 파장을 통과시킬 수 있다.
또한, 상기 필터부(200)는 상기 회전부(300)에 탈ㆍ부착 가능하게 설치될 수도 있다.
이 때, 상기 회전부(300)는 상기 필터부(200)가 회전에 의해 교체될 수 있도록 중심에 회전축(310)이 설치될 수도 있다.
이에 따라, 상기 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 상기 회전부(300)의 회전 운동에 의해 상기 필터부(200)가 손쉽게 교체 가능함으로써, 별도의 분광기를 사용하지 않으면서 다양한 파장대에 위치한 복수의 형광을 짧은 시간에 검출할 수 있어 빠른 진단이 가능하다.
상기 곡면반사부(400)는 상기 필터부(200)와 중심이 동일한 수직선상에 위치되도록 상기 회전부(300)의 상기 필터부(200)가 장착되는 측과 반대되는 타측에 설치될 수 있다.
따라서 상기 곡면반사부(400)는 상기 회전부(300)의 회전운동에 의해 상기 필터부(200)가 교체되더라도 교체된 상기 필터부(200)와 중심이 동일한 수직선상에 위치됨으로써, 각각의 필터부(200)마다 동일한 조건에서 시료(600)의 형광 검출 과정이 이루어질 수 있도록 할 수 있다.
이 때, 상기 곡면반사부(400)의 내면은 PDMS, 에폭시 수지, 플라스틱, 유리, 금속 중 어느 하나로 제작될 수 있다.
이 중 플라스틱으로 제작되는 상기 곡면반사부(400)는 생산 단가가 저렴하고, 제작 속도가 빨라 대량생산이 용이하다는 장점이 있다.
도 5를 참고로 상기 곡면반사부(400)의 기능을 설명하면, 상기 광원(100)에 의해 형광 물질이 여기 되면 형광 빛이 사방으로 발생하게 된다. 이 때, 발생한 형광 빛 중 상기 광검출기(500) 쪽을 향하는 빛은 바로 검출 되게 된다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 상기 광원(100)이 상기 곡면반사부(400) 단부의 중심에 설치될 수 있다.
한편, 상기 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 상기 회전부(300)가 회전축(310)을 중심으로 일정 속도로 회전 운동하도록 상기 회전부(300)의 회전축(310)에 모터가 더 설치될 수도 있다.
도 3 및 도 4를 참고로, 본 발명에 따른 휴대용 형광 검출 시스템(1)의 동작을 간략히 설명하면, 상기 광원(100)에 의해 발생한 형광 빛은 상기 곡면반사부(400) 내면의 곡면에 의해 반사되어 상기 필터부(200)를 거쳐 상기 광검출기(500)로 향하게 된다.
상기 곡면반사부(400) 내면에 형성되는 곡면반사경은 상기 광원(100)의 빛을 반사하는 것뿐만 아니라, 상기 광원(100)의 빛이 여러 차례에 걸쳐 형광 물질을 여기 시키는 역할을 함으로써, 상기 광검출기(500)의 감광도(Sensitivity)를 높여 줄 수 있다.
도 5를 참고로 곡면 형태의 곡면반사부(400)를 사용하는 이유에 대해 간략히 설명하면, 도 5(a)와 같이 구면 거울을 사용하지 않을 경우에는 형광물질에서 나오는 빛의 일부분만이 광검출기로 들어가는 것을 나타낸다.
반면, 도 5(b)와 같이 포물선형 거울을 사용할 경우에는 거울 면을 향하는 빛들이 수직하게 반사되어 광검출기가 멀리 떨어져 있더라도, 최소한 50%이상의 빛을 검출할 수 있으며, 광검출기과 거울 면과 붙어 있을 경우 형광 물질에서 나오는 모든 빛을 검출할 수도 있다.
또한, 도 5(c)와 같이 구를 1/4지점에서 자른 거울을 사용할 경우에는 포물선형 구를 사용할 때만큼 수직하게 반사되지는 않지만, 비교적 빛이 수직하게 내려와 거울을 사용하지 않는 경우보다 검출 효율이 높아진다.
상기 휴대용 형광 검출 시스템(1)은 서로 다른 파장을 투과시키는 필터부(200)가 회전 가능하게 설치됨으로써, 파장대가 다른 복수의 형광 유무를 필터 교체에 의해 손쉽게 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템은 각종 바이러스에 대한 검출 키트로 사용되는 것으로 렌즈 및 레이저를 사용하지 않고, 형광물질을 여기 시키는 LED 광원과, 곡면의 반사면을 이용하여 검출 효율을 증대시키기 위한 곡면반사부와, 교체 가능하도록 설치되는 필터부를 포함하여 형성됨으로써, 간편하게 휴대할 수 있어 신종 플루, 조류 인플루엔자 등 전염성이 매우 강한 바이러스의 현장 검출이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템은 렌즈, 레이저 및 빛살 가르개와 같은 복잡하고 고가의 장비들을 사용하지 않아 시스템이 간소화되고, 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 휴대용 형광 검출 시스템은 곡면의 반사면을 이용하여 검출 효율을 증대시키고, 필터를 교체 가능하게 제작하여 별도의 분광기를 사용하지 않으면서 복수의 형광을 짧은 시간에 검출할 수 있어 빠른 진단이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1 : 휴대용 형광 검출 시스템
100 : 광원
200 : 필터부
300 : 회전부 310 : 회전축
400 : 곡면반사부
500 : 광검출기
600 : 시료

Claims (9)

  1. DNA 칩 또는 멤브레인을 이용한 단백질 칩에 대해 시료(600)의 형광을 검출하는 형광 검출 시스템에 있어서,
    광이 출사되는 광원(100);
    판 형상의 회전부(300);
    상기 광원(100)으로부터 출사된 광을 여기 시키며, 상기 회전부(300)의 일측면에 설치되고, 교체 가능한 필터부(200);
    내측으로 함입되어 내면의 거울이 곡면 형태로 형성되며, 상기 회전부(300)의 상기 필터부(200)가 장착되는 측과 반대되는 타측에 위치되도록 설치되고, 외면 일정 영역에 상기 광원(100)이 설치되는 곡면반사부(400); 및
    상기 필터부(200)의 상기 회전부(300)에 장착되는 측과 반대되는 타측에 설치되며, 상기 광원(100)에서 발생된 빛에 의해 시료(600)의 형광물질이 여기 되어 발생된 광신호를 검출하여 전기적 신호로 바꾸어 주는 광검출기(500); 를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광원(100)은
    LED(발광 다이오드)의 동작에 의해 광이 출사되는 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  3. 제 1항 또는 2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터부(200)는
    상기 회전부(300)의 일측면에 일정 간격 이격되어 복수개 설치되되,
    각각 서로 다른 파장대의 형광이 투과되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 회전부(300)는
    상기 필터부(200)가 회전에 의해 교체될 수 있도록 중심에 회전축(310)이 설치되는 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 필터부(200)는
    중심이 동일한 원주 상에 위치되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 곡면반사부(400)는
    상기 회전부(300)의 회전운동에 의해 상기 필터부(200)가 교체되더라도, 교체된 각각의 상기 필터부(200)와 중심이 동일한 수직선상에 위치되도록 상기 회전부(300)의 상기 필터부(200)가 장착되는 측과 반대되는 타측에 설치되는 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 휴대용 형광 검출 시스템(1)은
    상기 광원(100)이 상기 곡면반사부(400) 단부의 중심에 설치되는 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 곡면반사부(400)의 내면은
    PDMS, 에폭시 수지, 플라스틱, 유리, 금속 중 어느 하나로 제작되는 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 휴대용 형광 검출 시스템(1)은
    상기 회전부(300)의 회전축(310)에 모터가 설치되어 상기 회전부(300)가 회전축(310)을 중심으로 일정 속도로 회전 운동하는 것을 특징으로 하는 휴대용 형광 검출 시스템.
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