1.本发明是关于一种基于成像的多通道水质比色分析仪,特别是关于一种基于朗伯—比尔定律与透射光谱成像反演污染物浓度的多通道水质比色分析仪,涉及环境监测分析领域。
背景技术:
2.比色分析技术在环境监测市场占据较大比重。通过在待测水样中加入显色试剂,与特定污染物发生显色反应,分析显色溶液对特定波长光的吸收程度,进而基于朗伯—比尔定律实现污染物浓度的定性定量检测。根据结果判读的方式,比色法可分为目视比色法和光电比色法。目视比色法包括比色试纸条、试剂盒等,可节省判读仪器,经济性好,但是准确性低。光电比色法需要配套的分析仪器,譬如实验室台式或便携式/手持式分光光度计、酶标仪等,准确性高,但是经济性受到诟病,且仪器小型化、智能化程度低,导致其应用场景和范围受限。综上,目前市场上主流的水质比色分析仪器无法兼顾经济性和准确性。
3.随着cmos、ccd图像传感器的广泛应用,基于成像的比色分析技术得到了蓬勃发展。该技术以朗伯—比尔定律为基础,通过对显色溶液的透射光成像,建立颜色分析模型反演污染物浓度。为了提高系统检测通量,现有技术过公开了光角度转换阵列,以避免不同通道衍射条纹的重叠干扰,实现多通道水质同步检测。该阵列由3组不同规格且对称排列的反射棱镜组成,不同通道的透射光束经过该阵列投射到分光模块的不同位置,形成6组衍射图像。此外,对单色光通过多通道微型比色皿后的透射光直接成像,之后对图片进行颜色分析也是实现多通道比色检测的主要技术手段。然而,上述提升系统检测通量的策略均是基于单色光光源,进一步结合简单颜色分析模型实现污染物浓度的高通量分析,在提高光学检测信噪比,进而提升检测灵敏度上仍具有改进空间。此外,以单色光为光源的比色分析系统只能对特定波长吸收峰进行检测,通用性不足。
技术实现要素:
4.针对上述问题,本发明的目的是提供一种小型便携且检测通量高的基于成像的多通道水质比色分析仪。
5.为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:一种基于成像的多通道水质比色分析仪,该比色分析仪包括:
6.外壳,采用避光密闭结构;
7.面阵led光源,用于提供可见光照明;
8.高通量样品池,设置在所述面阵led光源下方,用于盛放待测水样;
9.透射光收集传输装置,连接所述高通量样品池底部透光区域,用于收集经待测水样透射的光;
10.分光元件,用于将所述透射光收集传输装置出射光进行衍射分光;
11.图像识别及数据处理单元,用于对所述分光元件的衍射图像进行摄取,并对摄取
的衍射光光谱进行识别与分析,实现水质比色分析。
12.所述的多通道水质比色分析仪,进一步地,还包括双面磨砂匀光板,用于对所述面阵led光源进行匀光。
13.所述的多通道水质比色分析仪,进一步地,所述面阵led光源采用面阵白光led光源,波长范围400-700nm,其中,所述面阵led光源的亮度被优化并固定到设定值,使其在不产生过曝的同时尽可能提高所述面阵led光源亮度以提高灵敏度。
14.所述的多通道水质比色分析仪,进一步地,所述高通量样品池采用孔板结构;
15.所述孔板结构设置为透明,所述孔板结构包括若干孔道,孔道数目根据需要测量通道数进行设置。
16.所述的多通道水质比色分析仪,进一步地,所述高通量样品池还包括支撑架,所述支撑架包括多个遮光挡板,所述多个遮光挡板交叉设置为井型结构用于对所述孔板结构进行支撑,避免各孔道之间光路干扰。
17.所述的多通道水质比色分析仪,进一步地,所述透射光收集传输装置包括多模光纤,所述多模光纤前端靠近所述高通量样品池底部透光区域。
18.所述的多通道水质比色分析仪,进一步地,所述透射光收集传输装置还包括对所述多模光纤进行固定的光纤固定架,使得所述多模光纤能够垂直入射和出射;所述多模光纤两端抛光,并达到设定的局部光洁度;所述多模光纤外表包裹有黑色塑料外壳,以防环境杂散光影响。
19.所述的多通道水质比色分析仪,进一步地,所述分光元件采用可见波段的透射光栅,所述透射光栅的尺寸根据所述多模光纤通道数目进行确定。
20.所述的多通道水质比色分析仪,进一步地,所述图像识别及数据处理单元采用智能手机,所述智能手机的cmos摄像头用于对所述透射光栅分光后的图像进行拍摄,其中,所述智能手机与所述透射光栅设置为平行,所述多模光纤通路的几何中心对准所述透射光栅中心,所述透射光栅中心对准所述智能手机的cmos摄像头中心。
21.所述的多通道水质比色分析仪,进一步地,所述智能手机对所述透射光栅最明亮的一级衍射光谱进行获取,同时调整所述多模光纤末端与透射光栅角度以消除二级及以上衍射光谱的光学干扰。
22.本发明由于采取以上技术方案,其具有以下特点:
23.1、本发明的面阵led白光光源投射到装有比色溶液的孔板,在孔板透光底部区域放置光纤,光纤的出射光投射到透射光栅,经过透射光栅分光后的一级衍射光谱位置放置智能手机,智能手机的cmos摄像头采集透射光谱进行图像识别与分析,进而反演出污染物浓度,能够提升检测信噪比以及比色分析的通用性。
24.2、本发明依托智能手机,极大减少了新仪器的开发周期、结构紧凑、检测精度高,支持可见光吸收波长范围400-700nm的多通道同步比色分析,另外,该系统还可以通过增加收集光纤个数或感光面积进一步提升检测通量,检测通量高。
25.3、本发明在样品池底部透光区域设置大芯径、大数值孔径的多模光纤进行透射光收集,可同时对多个样品池进行透射光的收集及传输,收集光路简单。
26.4、本发明在缩小成像距离的同时减少了前端复杂光学元件的使用,使得设备进一步小型化。
27.综上,本发明成本低、小型便携、检测效果好、应用范围广、同时实现多通道检测,可以广泛应用于环境监测分析中,在水质分析领域可产生很大效益。
附图说明
28.通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中,用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中:
29.图1为本发明实施例的基于成像的多通道水质比色分析仪的仪器结构原理图;
30.图2为本发明实施例的基于成像的多通道水质比色分析仪的仪器结构实物图;
31.图3为本发明实施例的基于成像的多通道水质比色分析仪的结构示意图;
32.图4为本发明实施例的基于成像的多通道水质比色分析仪的手机软件示意图;
33.图5为本发明实施例的基于成像的多通道水质比色分析仪的标准曲线图;
34.附图标记为:1、外壳;2、面阵led光源;3、高通量样品池;4、透射光收集传输装置;41、塑料多模光纤;42、前端光纤固定架;43、后端光纤固定架;5、分光元件;6、图像识别及数据处理单元;7、双面磨砂匀光板。
具体实施方式
35.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式,然而应当理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反,提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明,并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
36.应理解的是,文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的,而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出,否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的,并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在,但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行,除非明确指出执行顺序。还应当理解,可以使用另外或者替代的步骤。
37.为了便于描述,可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系,这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。
38.本发明提供的基于成像的多通道水质比色分析仪,该比色分析仪包括:外壳,采用避光密闭结构;面阵led光源,用于提供可见光照明;高通量样品池,设置在面阵led光源下方,用于盛放待测水样;透射光收集传输装置,连接高通量样品池底部透光区域,用于收集经待测水样透射的光;分光元件,用于将透射光收集传输装置出射光进行衍射分光;图像识别及数据处理单元,用于对分光元件的衍射图像进行摄取,并对摄取的衍射光光谱进行识别与分析,实现水质比色分析。本发明能够实现多通道检测,在水质分析领域可产生很大效益。
39.如图1、图2所示,本实施例提供的基于成像的多通道水质比色分析仪,包括外壳1、面阵led光源2、高通量样品池3、透射光收集传输装置4、分光元件5和图像识别及数据处理单元6。
40.外壳1,采用避光密闭结构;
41.面阵led光源2,用于为高通量样品池3提供可见光照明;
42.高通量样品池3,设置在面阵led光源2下方,用于盛放比色溶液;
43.透射光收集传输装置4,连接高通量样品池3的底部透光区域,用于收集经比色溶液透射的光;
44.分光元件5,用于将透射光收集传输装置4的出射光进行分光;
45.图像识别及数据处理单元6,用于对分光元件4的衍射图像进行摄取,并对摄取的衍射光光谱进行图像识别与分析,反演出污染物浓度。
46.本发明的一个优选实施例中,还包括双面磨砂匀光板7,用于对面阵led光源2进行匀光。
47.本发明的一个优选实施例中,面阵led光源2可以采用面阵白光led光源,波长范围400-700nm,使得该多通道水质比色分析仪可以分析可见光范围内的所有吸收光,即可以检测所有有色物质以及加入显色剂发生显色反应的物质,应用范围十分广泛。进一步地,由于智能手机成像模式为在选取的光谱范围内找到灰度的最大值并返回,若led光源亮度太高,会产生过曝现象,即在拍摄中光谱的亮度太高取到白色,会使得对于一定浓度的显色水样拍摄均返回白色的灰度值,这样在这个浓度范围下就几乎没有灰度值的变化,使得测量范围受到限制;若led光源亮度太低,则会使返回的灰度值太低,导致灵敏度太低,测量范围也受到限制。因此为了在提高灵敏度的同时避免过曝产生的极端值误差,led光源的亮度需要被优化并固定到合适的值,在不产生过曝的同时尽可能提高led光源亮度以提高灵敏度。
48.本发明的一个优选实施例中,高通量样品池3采用透明平底孔板。孔板的孔道数可以按照需要的测量通道数进行设置,例如孔板可以采用8(孔/条)*12(条)组成可拆卸式96孔板进行96通道测量,若需要进行通道数拓展,可增加孔板条数进行匹配,具体数量不做限定。进一步地,孔板可以通过支撑架进行支撑,支撑架通过多个遮光挡板交叉设置为井型结构,避免各通道之间的光路干扰。
49.本发明的一个优选实施例中,透射光收集传输装置4包括塑料多模光纤41,多模光纤41前端尽量靠近孔板底部区域,以尽可能多的收集透射光。进一步地,塑料多模光纤41若不进行抛光或抛光不良,由于不规则的接合面造成的光的漫反射和反射会大大导致光的衰减;此外,光纤端面可能产生点蚀和划痕,导致出射光不饱满,有瑕疵,因此塑料多模光纤41两端需要抛光,并到达一定的局部光洁度,本实施例采用光线抛光机抛光,局部表面粗糙度达到rz 1.6μm。更进一步地,塑料多模光纤41外表包裹有黑色塑料外壳,以防环境杂散光影响。另外,本实施例还包括用于对塑料多模光纤41进行固定的前端光纤固定架42和后端光纤固定架43,使得塑料多模光纤41垂直入射和出射。需要说明的是,塑料多模光纤41的数量与所测通道数目进行匹配,例如本实施例如果需要收集孔板6个孔道的透射光,则每个孔道底部透光区域均对应设置一根塑料多模光纤41,即本实施例设置6根塑料多模光纤41。
50.本发明的一个优选实施例中,分光元件5采用透射光栅,透射光栅可以采用高线数、高表面光洁度的可见波段光栅,本实施例采用的光栅线数为1200线/mm,光栅表面光洁
度为60-40,以此为例,不限于此。需要说明的是,透射光栅的尺寸需要根据塑料多模光纤通道数目进行确定,使其能够满足使用要求。进一步地,塑料多模光纤41末端与透射光栅距离40-60mm,优选为50mm;透射光栅与智能手机距离为20-40mm,优选为25-35mm,更优选为30mm。
51.本发明的一个优选实施例中,图像识别及数据处理单元6采用智能手机,智能手机的cmos摄像头设置光栅分光后的图像焦距位置对准拍摄,智能手机与透射光栅设置为平行,光纤通路的几何中心对准透射光栅中心,透射光栅中心对准智能手机摄像头中心。使用时,塑料多模光纤41末端与透射光栅的距离和角度、智能手机与透射光栅的距离和角度固定,拍摄前cmos摄像头焦距、对焦模式、iso、白平衡等关键参数得到测试和确定,智能手机位置、角度等因素也已经得到优化和固定,以避免这些因素对测定结果构成的干扰,具体调整过程为:如图2所示,在光学暗室搭建光路系统,调整焦距到智能手机屏幕上能够出现清晰的像;调整对焦模式使得每次对焦采用固定的拍摄模式,防止产生拍摄上的误差;调整iso以使得拍摄图像的亮度和质量合适,在增强信号强度的同时防止产生大幅度信号波动;通过智能手机的位置和角度的调整使得拍摄出来的像清晰且大小合适;调节白平衡以补偿白光光源下的偏色现象。
52.本发明的一个优选实施例中,智能手机对最明亮的一级衍射光谱进行获取以提高灵敏度,同时调整塑料多模光纤41末端与透射光栅角度以消除二级及以上衍射光谱的光学干扰,具体操作过程为:如图2所示,在光学暗室首先搭建光路系统,可以在0~90
°
之间调整塑料多模光纤41末端与透射光栅角度,从智能手机中观察首先找到能够完全拍摄到一级衍射光谱的角度大约35-55
°
角;然后再在这个角度范围内找到无法拍摄到二级衍射光谱的角度大约35-45
°
角;最后找到最清晰且范围区域在智能手机拍摄范围正中的角度45
°
角,以此为例进行说明,实际角度选择根据需要进行调整。
53.本发明的一个优选实施例中,外壳1的尺寸可以为长260cm、宽180cm、高160cm。
54.本发明的一个优选实施例中,如图3所示,基于成像的多通道水质比色分析仪分为还包括电路系统,电路系统包括电路板、可充电锂电池、开关和指示灯。电路板用于驱动面阵led光源2;开关控制面阵led光源2开启和关闭,在关闭状态下,按一下开关键即为开启;在开启状态下,连按两下开关键即为关闭。可充电锂电池用于给电路板进行供电;指示灯用于表示电源状态,共有四个指示灯,每个指示灯代表25%的电量,在正常运行的情况下指示灯呈现红色,在充电状态下呈现绿色。
55.下面通过具体实施例详细说明本发明的基于成像的多通道水质比色分析仪的使用过程。
56.s1、面阵白光led光源2发出的波长400-700nm可见光区全光谱白光,通过双面磨砂匀光板7进行匀光,然后进入透明平底96孔板。在透明平底96孔板处设计支撑架固定孔板位置的同时隔绝外界光线,制造暗室环境。
57.s2、在待测水样中加入0.3ml显色剂,滴入与塑料多模光纤41对应的孔板6个孔道中,特定波长的光在穿过待测水样时会被吸收。
58.s3、在6个孔道底部透光区域设置6根塑料多模光纤41,用来对光路进行引导和汇聚。
59.本实施例的塑料多模光纤41采用芯径为2mm的塑料多模光纤,数值孔径为0.5。在
塑料多模光纤41两端通过前端光纤固定架42和后端光纤固定架43进行支撑固定,使光纤垂直入射和出射。本实施例光纤成像几何结构在相当紧凑的成像空间中缩小大约4倍,显著降低了整个比色检测仪的高度,具体为:本实施例中96孔板通道之间为固定距离,6通道拍摄横向需要50mm,经过塑料多模光纤41导光后,通道的距离变得紧凑(贴在一起),横向仅12mm,成像范围缩小了约4倍。智能手机与透射光栅之间的距离与拍摄范围成正比,为了使智能手机拍到全部的通道,智能手机与透射光栅之间必须达到一定距离,因此光纤导光导致的缩放不仅可以将6通道集中在一片光栅上分光,还缩小了智能手机与透射光栅之间的距离。同时,本实施例用光纤弯曲180
°
导光增加了整个仪器的空间利用率,有效降低了比色分析仪的高度。
60.s4、经塑料多模光纤41出射的光发送到透射光栅进行分光。
61.本实施例的透射光栅尺寸为25*25*3mm,刻线数为1200线/mm,有效孔径为0.9。塑料多模光纤41末端与透射光栅距离50mm,透射光栅与智能手机距离30mm,塑料多模光纤41末端与透射光栅成45
°
角。
62.s5、透射光栅使透过的复合光发生色散,利用智能手机对衍射出的一级衍射光谱进行拍摄。
63.本实施例的cmos摄像头的参数固定为:iso为200,对焦模式为fixed,焦距为10,白平衡为auto。
64.s6、智能手机对摄取的衍射光光谱进行图像识别与分析,反演出待测水样中污染物浓度。
65.根据朗伯—比尔定律,在吸收层厚度固定的情况下,吸光度与吸光物质浓度成正比。待测水样中吸光物质浓度越高,加入显色剂的待测水样吸光度越高,智能手机在特定波长处拍出的图像越暗。通过智能手机软件内置算法计算在特定波长处的信号值,并将转换为吸光度值,与浓度建立线性联系作为标准曲线,参照标准曲线对实际水样进行测量。
66.如图4所示,智能手机内置软件集成了标准曲线、图像识别、信号处理、实时定位、数据存储和数据传输等功能。在内置软件中,可以对目标物进行标准曲线建立,也可以直接使用预先存储的标准曲线;在标准曲线确定好后,可以新建测试对目标物进行测试;在拍摄界面中,可以选择使用手机进行拍摄或上传照片;上传照片后,会分析待测目标物对应波长下的灰度值情况,并经过计算,代入标准曲线方程进行计算;最终将目标物浓度输出,并一并输出时间和定位数据,此定位数据可以在地图界面上查看,具体过程为现有技术在此不作赘述。
67.如图5所示,本实施例建立了对于不同种类目标物的标准曲线,采用本实施例搭建的六通道孔板为样品池,在该系统上实现了六价铬离子、铁离子、锌离子三种金属指标,氨氮、氟化物两种非金属指标和余氯一种消毒剂指标的检测,按照国家生活饮用水标准检验方法-金属指标(gb/t 5750.6-2006)、生活饮用水标准检验方法-无机非金属指标(gb/t 5750.5-2006)和生活饮用水标准检验方法-消毒剂指标(gb/t5750.11-2006)进行测定,六价铬离子、铁离子、锌离子、氨氮、氟化物线性度高(r2分别为0.984、0.999、0.988、0.988、0.996、0.999),检出限(分别为0.0086mg/l、0.0098mg/l、0.0306mg/l、0.0273mg/l、0.0164mg/l、0.0502mg/l)可以达到生活饮用水卫生标准(gb 5749-2006),完成一次实际水样检测所需时间少于10min,且可以实现六通道多参数的测量。
68.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“一些实现”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,在不相互矛盾的情况下,本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
69.最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
技术特征:
1.一种基于成像的多通道水质比色分析仪,其特征在于,该比色分析仪包括:外壳,采用避光密闭结构;面阵led光源,用于提供可见光照明;高通量样品池,设置在所述面阵led光源下方,用于盛放待测水样;透射光收集传输装置,连接所述高通量样品池底部透光区域,用于收集经待测水样透射的光;分光元件,用于将所述透射光收集传输装置出射光进行衍射分光;图像识别及数据处理单元,用于对所述分光元件的衍射图像进行摄取,并对摄取的衍射光光谱进行识别与分析,实现水质比色分析。2.根据权利要求1所述的基于成像的多通道水质比色分析仪,其特征在于,还包括双面磨砂匀光板,用于对所述面阵led光源进行匀光。3.根据权利要求1所述的基于成像的多通道水质比色分析仪,其特征在于,所述面阵led光源采用面阵白光led光源,波长范围400-700nm,其中,所述面阵led光源的亮度被优化并固定到设定值,使其在不产生过曝的同时尽可能提高所述面阵led光源亮度以提高灵敏度。4.根据权利要求1所述的基于成像的多通道水质比色分析仪,其特征在于,所述高通量样品池采用孔板结构;所述孔板结构设置为透明,所述孔板结构包括若干孔道,孔道数目根据需要测量通道数进行设置。5.根据权利要求4所述的基于成像的多通道水质比色分析仪,其特征在于,所述高通量样品池还包括支撑架,所述支撑架包括多个遮光挡板,所述多个遮光挡板交叉设置为井型结构用于对所述孔板结构进行支撑,避免各孔道之间光路干扰。6.根据权利要求1~5任一项所述的基于成像的多通道水质比色分析仪,其特征在于,所述透射光收集传输装置包括多模光纤,所述多模光纤前端靠近所述高通量样品池底部透光区域。7.根据权利要求6所述的基于成像的多通道水质比色分析仪,其特征在于,所述透射光收集传输装置还包括对所述多模光纤进行固定的光纤固定架,使得所述多模光纤能够垂直入射和出射;所述多模光纤两端抛光,并达到设定的局部光洁度;所述多模光纤外表包裹有黑色塑料外壳,以防环境杂散光影响。8.根据权利要求6所述的基于成像的多通道水质比色分析仪,其特征在于,所述分光元件采用可见波段的透射光栅,所述透射光栅的尺寸根据所述多模光纤通道数目进行确定。9.根据权利要求8所述的基于成像的多通道水质比色分析仪,其特征在于,所述图像识别及数据处理单元采用智能手机,所述智能手机的cmos摄像头用于对所述透射光栅分光后的图像进行拍摄,其中,所述智能手机与所述透射光栅设置为平行,所述多模光纤通路的几何中心对准所述透射光栅中心,所述透射光栅中心对准所述智能手机的cmos摄像头中心。10.根据权利要求9所述的基于成像的多通道水质比色分析仪,其特征在于,所述智能手机对所述透射光栅最明亮的一级衍射光谱进行获取,同时调整所述多模光纤末端与透射光栅角度以消除二级及以上衍射光谱的光学干扰。
技术总结
本发明涉及一种基于成像的多通道水质比色分析仪,该比色分析仪包括外壳,采用避光密闭结构;面阵LED光源,用于提供可见光照明;高通量样品池,设置在面阵LED光源下方,用于盛放待测水样;透射光收集传输装置,连接高通量样品池底部透光区域,用于收集经待测水样透射的光;分光元件,用于将透射光收集传输装置出射光进行衍射分光;图像识别及数据处理单元,用于对分光元件的衍射图像进行摄取,并对摄取的衍射光光谱进行识别与分析,实现水质比色分析。本发明能够提升检测信噪比以及比色分析的通用性。通用性。通用性。
技术研发人员:周小红 薛博元 邢云鹏 林勇澍
受保护的技术使用者:清华大学
技术研发日:2022.02.11
技术公布日:2022/5/25
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