生物醫(yī)學(xué)傳感納米生物傳感器_第1頁(yè)
生物醫(yī)學(xué)傳感納米生物傳感器_第2頁(yè)
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關(guān)于生物醫(yī)學(xué)傳感納米生物傳感器第一頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/102CompanyLogo

納米技術(shù)和生物技術(shù)是21世紀(jì)的兩大領(lǐng)先技術(shù)納米生物傳感技術(shù)成為一種新興產(chǎn)業(yè)。納米尺寸既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng),因此有著獨(dú)特的化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì),如表面效應(yīng)、微尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等,呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的優(yōu)越性能。一、背景第二頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/103納米生物傳感器是將納米材料作為一種新型的生物傳感介質(zhì),與傳統(tǒng)的傳感器相比,具有體積更小、速度更快、而且精度更高、可靠性更好的優(yōu)點(diǎn)。

納米技術(shù)引入生物傳感器領(lǐng)域后,提高了生物傳感器的靈敏度和其它性能,并促進(jìn)了新型的生物傳感器的發(fā)展。因?yàn)榫哂辛藖單⒚壮叽绲膿Q能器、探針或者納米微系統(tǒng),生物傳感器的各種性能大幅提高。但納米生物傳感器正處于起步階段,目前仍有大量的工作需要進(jìn)行。第三頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/104二、

納米材料介紹

納米材料是指由尺寸小于100nm(0.1-100nm)的超細(xì)顆粒構(gòu)成的具有小尺寸效應(yīng)的零維、一維、二維材料或由它們作為基本單元構(gòu)成的三維材料的總稱。

納米無(wú)創(chuàng)注射器納米管陣列第四頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/105第五頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/106荷葉表面上有一些微小的蠟質(zhì)顆粒,并且覆蓋著無(wú)數(shù)尺寸約10個(gè)微米的突包,每個(gè)突包的表面又布滿了直徑僅為幾百納米的更細(xì)的絨毛。

這種特性可以應(yīng)用在玻璃上或是戰(zhàn)機(jī)的雷達(dá)上。自然界中的納米結(jié)構(gòu)

第六頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/107飛檐走壁的壁虎

在現(xiàn)實(shí)生活中,我們可以制造出抓地更牢的運(yùn)動(dòng)鞋,可以制作雨雪環(huán)境中不再打滑的汽車輪胎。而在影視劇拍攝中,演員們可以告別工作室里的電腦,真正在摩天大樓的玻璃幕墻上一展身手。據(jù)此開(kāi)發(fā)出的空間探測(cè)用攀爬型機(jī)器人,無(wú)論在什么惡劣的條件下都可以在太空飛行器的外表面行走,給飛行器進(jìn)行“體檢”。第七頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/108“上善若水”的水黽超疏水特性(超強(qiáng)的不沾水的特性)第八頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/109水黽腿部上有數(shù)千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛。這些像針一樣的微米剛毛的表面上形成螺旋狀納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)槽,吸附在構(gòu)槽中的氣泡形成氣墊。第九頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1010五彩斑斕的蝴蝶

納米結(jié)構(gòu):光子晶體,通過(guò)這種結(jié)構(gòu),蝴蝶翅膀能捕捉光線。僅讓某種波長(zhǎng)的光線透過(guò),這便決定了不同的顏色。第十頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1011利用“羅盤(pán)”定位的蜜蜂

利用在磁性納米粒子中存儲(chǔ)的圖像來(lái)判明方向。第十一頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1012

蛛絲指路線、安全繩、滑翔索。第十二頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/10131.表面效應(yīng)(一)納米材料的特性

納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。比表面積↑↑表面原子百分?jǐn)?shù)↑↑納米顆粒的表面能高、活性強(qiáng)顆粒直徑↓性質(zhì)變化第十三頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1014高表面活性→交聯(lián)或吸附性強(qiáng)Drug/GeneDeliverySystem

藥物/基因轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)吸附在細(xì)胞膜上胞吞作用進(jìn)入細(xì)胞吸附藥物/質(zhì)粒DNA納米粒納米粒-藥物/DNA復(fù)合物第十四頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1015納米載體-綠色熒光蛋白報(bào)道基因轉(zhuǎn)染細(xì)胞第十五頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1016納米粒納米粒用于檢測(cè)或?qū)蚣夹g(shù)第十六頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1017BIOMAT190802MHNanoparticle抗原抗體有機(jī)與無(wú)機(jī)納米粒子珠

巨噬細(xì)胞,淋巴細(xì)胞等細(xì)胞。

第十七頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/10182.小尺寸效應(yīng)

小尺寸效應(yīng)是指由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化。尺寸變小+比表面積↑↑→新奇的性質(zhì)光學(xué)熱學(xué)力學(xué)磁學(xué)第十八頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1019

由無(wú)數(shù)的原子構(gòu)成固體時(shí),單獨(dú)原子的能級(jí)就并合成能帶,由于電子數(shù)目很多,能帶中能級(jí)的間距很小,因此可以看作是連續(xù)的。對(duì)介于原子、分子與大塊固體之間的納米顆粒而言,大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí);能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí),就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性,稱之為量子/小尺寸效應(yīng)。例如,導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕緣體,磁矩的大小與顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān),比熱亦會(huì)反常變化,光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長(zhǎng)方向的移動(dòng),這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。

第十九頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1020(1)特殊的光學(xué)性質(zhì)

納米顆粒當(dāng)尺寸小到一定程度時(shí)具有很強(qiáng)的吸光性。金屬納米顆粒對(duì)光的反射率很低,通??傻陀趌%,大約幾微米的厚度就能完全消光。幾乎所有的金屬納米顆粒都可呈現(xiàn)黑色。

第二十頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1021納米涂料隱形飛機(jī)第二十一頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1022(2)特殊的磁學(xué)性質(zhì)

納米顆粒的磁性與大塊材料的磁性有顯著的不同,磁性納米顆粒具有高矯頑力。當(dāng)純鐵顆粒尺寸減小到一定程度(二十個(gè)納米)時(shí),其矯頑力可顯著增加;尺寸減小到6nm時(shí),其矯頑力反而降低到零,呈現(xiàn)出超順磁性。

第二十二頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1023生物磁性納米顆粒生物體內(nèi)磁性超微顆粒---生物磁羅盤(pán)第二十三頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1024磁性阿霉素納米粒在磁場(chǎng)中的定向運(yùn)動(dòng)磁性納米粒運(yùn)動(dòng)軌跡第二十四頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1025磁性納米球用于細(xì)胞分離癌癥診斷磁性納米粒在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用第二十五頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1026(3)特殊的熱學(xué)性質(zhì)

固態(tài)物質(zhì)在大尺寸形態(tài)時(shí),其熔點(diǎn)是固定的,超細(xì)微化后其熔點(diǎn)將顯著降低,當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。(4)特殊的力學(xué)性質(zhì)呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3~5倍。陶瓷材料在通常情況下呈脆性,然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。第二十六頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1027

電子具有粒子性又具有波動(dòng)性,因此存在隧道效應(yīng)。納米顆粒的一些宏觀物理量,如顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等,亦顯示出隧道效應(yīng),稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。3.宏觀量子隧道效應(yīng)第二十七頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1028(二)

納米材料分類納米粉末:碳酸鈣,白炭黑,氧化鋅納米纖維:納米絲、納米棒、納米管納米膜:超薄膜、多層膜、超晶格納米液體材料納米塊體:納米Cu的塊體材料材料的形態(tài)第二十八頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1029物理性能納米半導(dǎo)體材料納米磁性材料納米非線性光學(xué)材料納米鐵電體材料納米超導(dǎo)材料納米熱電材料第二十九頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1030化學(xué)結(jié)構(gòu)納米金屬納米晶體納米陶瓷納米玻璃納米高分子材料納米復(fù)合材料第三十頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1031應(yīng)用納米電子材料納米光電子材料納米生物醫(yī)學(xué)材料納米敏感材料納米儲(chǔ)能材料第三十一頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1032

(三)納米生物材料的制備

納米顆粒的作用受其尺寸、形貌和結(jié)構(gòu)的影響。不是所有納米尺寸的顆粒都能起作用,納米顆粒的尺寸也不是越小越好;特定的技術(shù)領(lǐng)域需要特定尺寸、大小均一的納米顆粒才能發(fā)揮最佳效果。固相法反應(yīng)物的聚合狀態(tài)液相法氣相法第三十二頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1033(四)納米生物醫(yī)用材料及其應(yīng)用1.細(xì)胞分離用納米材料

利用納米復(fù)合粒子性能穩(wěn)定、不與膠體溶液反應(yīng)且易實(shí)現(xiàn)與細(xì)胞分離等特點(diǎn),可將納米粒子應(yīng)用于診療中進(jìn)行細(xì)胞分離。第三十三頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1034

美國(guó)科學(xué)家用納米SiO2微粒很容易將懷孕8星期左右婦女的血樣中極少量的胎兒細(xì)胞分離出來(lái),并能準(zhǔn)確地判斷是否有遺傳缺陷;挪威工科大學(xué)的研究人員,利用納米磁性粒子成功地進(jìn)行了人體骨骼液中腫瘤細(xì)胞的分離;利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離技術(shù)很可能在腫瘤早期從血液中檢查出癌細(xì)胞,實(shí)現(xiàn)癌癥的早期診斷和治療。

第三十四頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1035

利用不同抗體對(duì)細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼組織的敏感程度和親和力的顯著差異,選擇抗體種類,將納米金粒子與預(yù)先精制的抗體或單克隆抗體混合,制備成多種納米金/抗體復(fù)合物。

2.用于細(xì)胞內(nèi)部染色的納米材料第三十五頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1036

借助復(fù)合粒子分別與細(xì)胞內(nèi)各種器官和骨骼系統(tǒng)結(jié)合而形成的復(fù)合物,在白光或單色光照射下呈現(xiàn)某種特征顏色(如10nm的金粒子在光學(xué)顯微鏡下呈紅色),從而給各種組合“貼上”了不同顏色的標(biāo)簽,因而為提高細(xì)胞內(nèi)組織的分辨率提供了一種急需的染色技術(shù)。第三十六頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1037

應(yīng)用不同的材料制備納米顆粒并通過(guò)改變其大小和形狀可以改變納米顆粒的光散射性質(zhì)。以此為基礎(chǔ)可制備多種顏色的納米顆粒標(biāo)簽。改變納米顆粒的形狀不僅可以改變其光散射特征,還可以改變其他特征如產(chǎn)生諧波等。例如:球形納米銀顆粒不散射紅光,而棱柱形納米銀顆粒卻呈紅色。第三十七頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1038第三十八頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1039

這些不同顏色的納米顆粒標(biāo)簽表面包被細(xì)胞特異性抗體/配體后,可進(jìn)行組織/細(xì)胞染色或標(biāo)記、疾病的診斷及示蹤技術(shù)。第三十九頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/10403.納米藥物控釋材料

納米粒子不但具有能穿過(guò)組織間隙并被細(xì)胞吸收、可通過(guò)人體最小的毛細(xì)血管、甚至可通過(guò)血腦屏障等特性,而且還具有靶向、緩釋、高效、低毒且可實(shí)現(xiàn)口服、靜脈注射及敷貼等多種給藥途徑。第四十頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/10414.納米抗菌材料及創(chuàng)傷敷料利用Ag+可使細(xì)胞膜上的蛋白失活,從而殺死細(xì)菌。利用該類材料的光催化作用,與H2O反應(yīng)生成具強(qiáng)氧化性的羥基以殺死病菌

ZnO、TiO2等光觸媒型納米抗菌材料

Ag+系抗菌材料:

第四十一頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/10425.納米顆粒中藥及保健品

納米級(jí)中藥粒子

——可溶于水,有效提高藥物利用率

——口服膠囊、口服液或膏藥

納米膠囊或納米粒子懸浮液保健品

——↓毒性,↑活性(硒旺膠囊)第四十二頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/10436.納米醫(yī)用陶瓷納米陶瓷在人工骨、人工關(guān)節(jié)、人工齒以及牙種植體、耳聽(tīng)骨修復(fù)體等人工器官制造及臨床應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。納米級(jí)羥基磷灰石復(fù)合材料

聚酰胺/納米HA晶體生物活性材料ZrO2的納米羥基磷灰石復(fù)合材料納米TiO2/聚合物復(fù)合材料第四十三頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/10447.納米生物活性材料

鈣鹽納米SiO2/聚合物復(fù)合材料

:在人體液中放置1周后,可以觀察到其表面有羥基磷灰石層形成。

含鈦硅的納米復(fù)合材料:具有優(yōu)良的透光率、氧氣透過(guò)率和吸濕性,是理想的隱形眼鏡材料。

第四十四頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1045聚氨酯材料:因其良好的生物相容性和優(yōu)異的力學(xué)性能常用來(lái)制作血管移植物、介入導(dǎo)管、心臟輔助循環(huán)體系及人工心臟等。

納米微孔SiO2玻璃:可用作微孔反應(yīng)器、功能性分子吸附劑、生物酶催化劑及藥物控釋體系的載體等。

第四十五頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1046在血管中運(yùn)動(dòng)的納米機(jī)器人,使用納米切割機(jī)和真空吸塵器來(lái)清除血管中的沉積物。納米機(jī)器人消滅癌細(xì)胞虛擬圖未來(lái)應(yīng)用第四十六頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1047三.納米生物傳感器

納米生物傳感器是納米技術(shù)與生物傳感器的融合,其研究領(lǐng)域涉及到生物技術(shù)、信息技術(shù)、納米科學(xué)、界面科學(xué)等多個(gè)重要領(lǐng)域。第四十七頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1048第四十八頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1049第四十九頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1050第五十頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1051CompanyLogo碳納米管在納米生物傳感器中的應(yīng)用碳納米管(CarbonNanotubes,CNTs)是一種由碳六元環(huán)構(gòu)成的類石墨平面卷曲而成的納米級(jí)中空管。CNTs具有良好的導(dǎo)電性、催化活性和較大的比表面積,因此被廣泛用于修飾電極的研究。分散性良好的碳納米管在水溶液或丙酮、甲醇等有機(jī)溶劑中可觀察到很強(qiáng)的熒光發(fā)射。由于獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì),碳納米管對(duì)周圍的環(huán)境極其敏感,所以可以將其應(yīng)用于化學(xué)傳感器。第五十一頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1052CNTs在氧化還原酶生物傳感器中的應(yīng)用酶的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,活性中心通常包埋于酶內(nèi)部,很難實(shí)現(xiàn)酶與電極間的直接電子轉(zhuǎn)移。碳納米管具有良好的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性和生物兼容性,將酶固定到碳米管表面可以保持酶的生物活性,有效地促進(jìn)酶與傳感器之間快速、直接的電子轉(zhuǎn)移,提高酶生物傳感器的檢測(cè)速度、穩(wěn)定性和使用壽命。應(yīng)用于葡萄糖的檢測(cè)中還可應(yīng)用于有機(jī)磷類化合物的分析檢測(cè)第五十二頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1053CNTs在DNA生物傳感器中的應(yīng)用DNA生物傳感器具有靈敏度高、制作簡(jiǎn)單和成本較低等優(yōu)勢(shì),近年來(lái)在基因檢測(cè)和傳染性疾病研究等領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。將DNA特有的分子識(shí)別功能與碳納米管的優(yōu)良性能相結(jié)合,通過(guò)化學(xué)吸附、共價(jià)聯(lián)接、靜電吸附等方法將DNA固定在碳納米管上,以期獲得性能更加優(yōu)良的DNA生物傳感器。第五十三頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1054CNTs在電化學(xué)免疫生物傳感器中的應(yīng)用電化學(xué)免疫生物傳感器可用于檢測(cè)細(xì)胞活性、腫瘤細(xì)胞標(biāo)記物和致病微生物等,具有高度特異性、敏感性和穩(wěn)定性。碳納米管共價(jià)修飾抗體或其他受體后,不產(chǎn)生細(xì)胞毒性,也不會(huì)影響抗體或受體的免疫活性,近年來(lái)該方法在免疫傳感器方面的應(yīng)用逐漸增加。利用單壁碳納米管制備了高度靈敏的生物傳感器,用于檢測(cè)多種癌細(xì)胞標(biāo)記物。碳納米管還可用于檢測(cè)植物毒素。第五十四頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1055膠體金修飾納米免疫傳感器利用抗原與抗體之間高選擇性分子識(shí)別,進(jìn)行抗體或抗原分析免疫分子的識(shí)別組件物理信號(hào)轉(zhuǎn)換組件納米結(jié)構(gòu)改進(jìn)表面抗體分布可控,具有理想固定方向第五十五頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1056制備方法:層層組裝在打磨過(guò)的金基底上,生長(zhǎng)復(fù)合納米結(jié)構(gòu)抗體連接在膠體金上高分子復(fù)合層是“水泥”,膠體金是“鋼筋”紅色:高分子聚合物PSS灰色:高分子聚合物PAH藍(lán)色:膠體金第五十六頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1057納米病原微生物檢測(cè)Tan等提出了一項(xiàng)新的生物納米技術(shù),該技術(shù)是采用生物修飾的納米顆粒,通過(guò)熒光信號(hào)為基礎(chǔ)的免疫試驗(yàn),快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)出單個(gè)細(xì)菌。他們選擇的是大腸桿菌0157:H7作為檢測(cè)細(xì)菌,因?yàn)樗鞘澄飦?lái)源腸道感染致病菌的最主要代表。傳統(tǒng)檢測(cè)微量細(xì)菌的方法需要擴(kuò)增或是富及樣本中的目標(biāo)菌,因過(guò)程繁瑣而費(fèi)時(shí)費(fèi)力。該研究中,納米顆粒起到極強(qiáng)的信號(hào)放大作用,細(xì)菌眾多的表面抗原可供抗體修飾的納米顆粒識(shí)別與結(jié)合,所以每一個(gè)細(xì)菌表面將結(jié)合數(shù)以千計(jì)的納米顆粒,從而提供極強(qiáng)的熒光信號(hào)。該方法甚至能發(fā)展到384孔微平板的多菌樣本高通量檢測(cè)。因此,用針對(duì)不同細(xì)菌的特異性抗體來(lái)修飾納米顆粒,這項(xiàng)納米生物技術(shù)就能用來(lái)檢測(cè)多種來(lái)源的細(xì)菌病原體,包括生物恐怖試劑以及食品、臨床和環(huán)境樣本。第五十七頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1058單個(gè)細(xì)菌檢測(cè)機(jī)制。單個(gè)細(xì)菌結(jié)合極多納米顆粒,利于信號(hào)放大第五十八頁(yè),共六十二頁(yè),2022年,8月28日2023/1/1059光學(xué)納米生物傳感器表面等離子體共振(SPR)是一種光和金屬電子相互作用的光一電子現(xiàn)象,它是將光子所攜帶的能量轉(zhuǎn)移給金屬表面的電子。如今,迫切需要能特異鑒別周圍環(huán)境中低濃度生物物質(zhì)的微型化光學(xué)傳感器,但目前還不存在未經(jīng)擴(kuò)增就能鑒定出自然濃度的這種儀器。借助局部SPR光譜技術(shù),可利用三面體銀納米顆粒制成一種新型

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