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南科大林苑菁等:用于广泛体液分析的超宽线性范围铵离子传感贴片

研究背景体液里的铵离子浓度是医疗保健里很重要的一个生物标志物,比如能反映肝脏疾病的情况。不同体液中的铵离子浓度差别很大,所以亟需兼容植入式和无创的连续实时监测方法。对于无创可穿戴设备来说,材料要优先考虑舒适性和柔性,这样才不会伤害皮肤;而植入式设备则需要考虑炎症、组织损伤等副作用。另外,基于电位离子选择电极(ISE)的铵离子生物传感器容易受到钾离子的干扰。为此,本工作开发了在超宽范围内高灵敏度的铵离子传感系统,并通过传感器阵列内的交叉校准提高检测准确度。AmmoniumSensingPatchwithUltrawideLinearRangeandEliminatedInterferenceforUniversalBodyFluidsAnalysisMingliHuang,XiaohaoMa,ZongzeWu,JirongLi,YuqingShi,TengYang,JiarunXu,ShuhanWang,KongpengLv&YuanjingLinNano-MicroLetters(2025)17:92https://doi.org/10.1007/s40820-024-01602-2本文亮点1.柔性传感器具有58.7mV/decade的高灵敏度和1μM-100mM的超宽检测范围。2.传感器电极具有良好的生物相容性和可忽略的细胞毒性,可用于连续和长期体内外铵离子监测。3.集成的生物传感贴片测量各种体液中的铵离子的平均检测误差为13%。交叉校准后,检测精度提高18%以上。内容简介体液中铵的水平是医疗保健的重要生物标志物之一,在不同体液中铵离子浓度差异很大的情况下,迫切需要体内外的连续实时铵离子监测。此外,基于ISE的生物传感器的传感可靠性会受到钾离子以及氨基酸的显著干扰。为了应对这些挑战,南方科技大学林苑菁等人开发了一种柔性且具有生物相容性的无线铵离子传感贴片,该贴片具有超宽的线性范围,可用于包括血液、眼泪、唾液、汗液和尿液在内的各种体液。制备的生物传感器在1μM-100mM范围内具有58.7mV/decade的可靠灵敏度,并且由于传感器阵列内的交叉校准,传感器在钾离子干扰下的选择系数仅为0.11。通过传感器表面的细胞生长率(>80%)、溶血率(图文导读I铵离子传感贴片的设计与制作集成的无线生物传感贴片能够检测多种体液中的铵离子和钾离子。通过优化活性物质载量和传感层结构,该传感器实现了广泛的铵离子检测范围,适用于眼泪、唾液、汗液和尿液等体外分析(图1a)。同时,它能消除钾离子干扰,实现低浓度铵离子的血液分析(图1b)。柔性传感器阵列与印刷电路板集成,并通过蓝牙模块实现实时信号处理和无线传输,支持移动可视化(图1c)。电路设计原理见图1d。图1.集成的无线生物传感贴片的示意图:(a)用于无线和体外体液分析的铵传感贴片的示意图;(b)体内血氨检测示意图;(c)柔性无线生物传感贴片电路照片;(d)系统设计的逻辑流程包括传感、信号处理、单片机控制、供电和无线显示。II铵离子和钾离子的相互干扰研究基于铵离子载体(非肌动蛋白)的全固态铵离子传感器对钾离子也有一定的选择性。与体液中其他大多数干扰的离子不同,钾离子的离子半径(1.38Å)与铵离子(1.43Å)非常相似。因此,它们与非肌动蛋白的球形结构具有相当的结合亲和力(图2a和2b)。与非肌动蛋白相比,钾离子载体(缬氨霉素)是高选择性钾离子传感的理想载体,不存在对铵离子的高选择性问题(图2c)。据此,在聚四氟乙烯(PTFE)基板上设计并优化了具有同一参比电极的双电极结构的铵离子和钾离子传感器(图2d)。图2e显示了铵离子传感器在10μM和100mM范围内对铵离子和钾离子的电压响应。导出校准曲线,计算选择性系数,如图2f所示。选择系数为0.15,表明在相同浓度下,钾离子对开路电压的响应是铵离子浓度的0.15倍。为了验证本方法的解码精度,将浓度分别为0.1至100mM的五种钾离子人工干扰液应用于铵离子电极上(图2g)。可以看出,由于钾离子的干扰,铵离子传感器的响应电压结果会随钾离子浓度的增大而增大。图2h为解码后铵离子的浓度响应,其灵敏度(斜率)为55.95mV/decade,接近能斯特理论方程斜率59.2mV/decade,从而验证了交叉校准方法的可靠性。图2.铵离子和钾离子的干扰研究及其浓度解码方法:(a)非肌动蛋白的三维化学结构;(b)非肌动蛋白分别与钾离子和铵离子结合;(c)缬氨霉素的三维化学结构;(d)基于同一参比电极的双电极离子选择型传感器的结构设计;(e)铵离子传感器对不同浓度铵离子和钾离子的电压响应;(f)&(g)铵离子传感器在不同钾离子浓度干扰溶液中的电压响应;(h)解码后的铵离子传感器的灵敏度,平均为55.95mV/decade。III铵离子和钾离子传感器的性能表征为了实现广泛体液分析、高灵敏度和超宽检测范围,对电化学传感器阵列进行了系统优化。制备的铵离子传感器具有58.7mV/decade的灵敏度,检测范围为10μM到100mM,检出限为1μM(图3a,3b)。图3c显示,常见干扰物(如NaCl、Ca₂Cl、MgCl₂和葡萄糖)对铵离子检测影响有限。此外,铵离子传感器在多次弯曲后仍保持一致输出,表现出良好的机械稳定性(图3d)。图3e展示了8个传感器的良好重复性,相对标准偏差仅为11%。图3.铵离子和钾离子传感器的性能表征:(a)铵离子传感器的超宽检测范围(10μM-100mM);(b)铵离子传感器的检测限:1μM;(c)铵离子传感器的选择性;(d)铵离子传感器的柔性表征;(e)铵离子传感器的可重复性。IV生物传感器的生物相容性评估如图4a所示,传感器各层的溶血率均低于2%,符合血液相容性要求(通常5%以内为合格)。体外细胞毒性测试显示,传感器各层样品的细胞存活率与空白对照组相似,几乎未观察到死细胞(图4b)。图4c展示了植入电极后15天内小鼠体重的变化,结果显示植入传感器的小鼠与对照组小鼠的体重增加趋势一致且稳定。此外,为了评估体内细胞毒性,对植入传感器后的肌肉周围纤维包膜进行了组织染色(图4d),结果表明传感器不会引发炎症反应,也不会影响日常生理活动。图4.离子选择型生物传感器的生物相容性评估:(a)传感器不同结构层的血液相容性;(b)体外细胞毒性评估;(c)皮下植入后小鼠体重的变化;(c)体内细胞毒性评估。V生物传感贴片在广泛体液中的铵离子分析图5a展示了泪液、唾液、汗液和尿液中铵离子的体外检测结果。商用血氨试剂盒和等离子质谱仪(ICP-MS)验证了传感精度,相对标准误差(RSD)为22.6%(图5b)。为了验证体内血氨传感器的精度,建立了小鼠肝硬化模型,并从对照组和实验组各采集了一份血清样本(图5c)。柔性微型传感器阵列可植入小鼠股动脉内(图5d和图5e)。为确保可靠检测体内血铵水平,校准了氨基酸干扰和钾离子对铵离子传感器的竞争效应(图5h)。实时传感数据显示,钾离子浓度约为3.2mM,铵离子浓度在40-70μM之间,均在健康小鼠的合理范围内(图5j)。标准方法评估显示,铵离子传感器的平均RSD为17.39%(图5k)。患有肝病的小鼠血钾浓度与正常小鼠相当,但其血铵水平显著升高至144μM,约为健康小鼠的两倍,证明了传感器贴片的准确性。图5.生物传感贴片在广泛体液中的铵离子分析:(a)体外收集眼泪、唾液、汗液和尿液的照片;(b)与标准验证(ICP-MS)比较的铵离子和钾离子体外浓度;(c)传感贴片部分植入小鼠腹部的照片;(d&e)传感器阵列植入小鼠血管的照片;(f)铵离子传感器对氨基酸干扰的响应;(g)钾离子传感器对氨基酸干扰的响应。(h)通过解码方法计算铵离子选择性系数;(i&j)健康小鼠体内钾离子和铵离子浓度的实时跟踪;(j)铵离子传感器对氨基酸干扰的响应;(k)与标准验证比较的铵离子和钾离子体内浓度。VI总结开发了一种柔性铵离子传感贴片,可兼容不同体液的铵离子无线监测,满足了临床对可靠便捷的离子监测需求。该传感器具有1μM到100mM的超宽线性范围,对多种体液(如眼泪、唾液、汗液、尿液和血液)表现出58.7mV/decade的高灵敏度。与标准工具相比,测定结果的RSD小于22.6%,准确度提高超过18%。体外和体内实验表明,该传感器具有良好的生物相容性,适用于可穿戴、便携式和可植入场景应用。作者简介林苑菁本文通讯作者南方科技大学 助理教授▍主要研究领域研究立足于数字健康需求,致力于将材料制备、器件优化、大数据智能分析与移动式健康医疗监测应用结合,利用纳米材料及柔性制备技术实现微纳传感器、能源存储器件及可穿戴智能集成系统等。▍个人简介南方科技大学深港微电子学院助理教授。柔性微纳器件实验室PI,博士生导师。迄今于Nature,NatureNanotechnology,NatureCommunications,ScienceAdvances等发表学术论文50余篇。目前担任Biosensors,JournalofMicromechanicsandMicroengineering编委,FlexMat,JournalofSemiconductors青年编委。▍Email:linyj2020@sustech.edu.cn撰稿:原文作者编辑:《纳微快报(英文)》编辑部关于我们Nano-MicroLetters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在SpringerNature开放获取(open-access)出版的学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(researcharticle,review,communication,perspective,highlight,etc),包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录,2023JCRIF=31.6,学科排名Q1区前3%,中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉,2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。Web:https://springer.com/40820E-mail:editor@nmlett.orgTel:021-34207624转载本文请联系原作者获取授权,同时请注明本文来自纳微快报科学网博客。链接地址:https://blog.sciencenet.cn/blog-3411509-1469390.html上一篇:NML文章集锦|钙钛矿太阳能电池(三)

【先进材料】 2025-01-22

设计仿真 | AM STUDIO 增材制造数据准备解决方案

由于操作过于频繁,请点击下方按钮进行验证!点击按钮开始智能验证首页新闻产品技术应用案例解决方案工业经理人专题在线研讨会科技微平台展会下载机床加工中心车床铣床磨床刀具铣刀车刀孔加工刀柄测量/检测三坐标测量便携式测量光学测量工业机器人3D打印智能制造工业软件CAD/CAM工业润滑金属加工液行业汽车模具机械航空航天应用轨道电子船舶能源医疗国际金属加工网海克斯康工业软件软件3D打印设计仿真|AMSTUDIO增材制造数据准备解决方案国际金属加工网 2025年01月17日引 言增材制造数据准备是指零件从三维数字模型到实际打印前的一系列工艺设计。相较于机械加工这一减材制造技术,增材制造的数据准备不仅需要确定零件在平台的定位以及路径规划,还需要创建打印平台、设计支撑、多件排版、切片填充,必要时,还会对成形过程进行仿真。增材制造数据准备主要内容增材制造数据准备方案AMSTUDIO海克斯康增材制造数据准备解决方案AMSTUDIO适用于激光选区熔化技术,它按照激光选区熔化技术的实际工艺设计流程,将数据准备过程分解为开始、定向、支撑、排版、加工处理、查看器这6个步骤进行,用户沿着该流程从第一步走到第六步,便能够完成一个项目的数据准备工作。海克斯康增材制造数据准备的工艺流程打印平台搭建AMSTUDIO增材制造数据准备是跟设备有很强关联的材料加工工艺,设备的成形舱空间决定了可加工零件的最大尺寸及数量,激光数量会影响成形效率。在“开始”步骤,AMSTUDIO需要用户选择或自定义所使用的打印机型号。AMSTUDIO系统内集成了数家设备商的部分型号设备,可以直接选择应用,未集成的设备支持用户自定义。AMSTUDIO自定义设备参数设置零件定向功能AMSTUDIO打印平台确定后,自动跳转至第2步—“定向”,此时可导入一个或多个stl格式零件,并完成零件在基板上的定向。由于无支撑或少支撑技术的应用普及程度低,通常零件上与水平面夹角<45°的“悬空特征”均需要添加支撑辅助成形,合理的摆放应尽量减少悬空特征,从而减少支撑量,以节省材料和后处理成本。无支撑与少支撑技术打印效率也是定向需要考虑的因素之一,对于一个长方体,不管横竖摆放,由于体积不变,激光实际扫描的时间都一样,不同之处在于因层数导致的铺粉时间差异,从而导致两个定向方案的加工效率不同,一般情况下,层数越少,打印越快。零件在XY平面的横截面积越大且越厚,层内以及层间的应力越集中,零件发生变形、翘曲、开裂的风险也随之加大,因此定向也需考虑零件的变形情况,尽管可以通过后序的强化支撑、变形补偿等工艺预防(可借助于SimufactAdditive铺粉增材工艺仿真软件虚拟验证支撑方案以及变形补偿自动优化解决变形问题),但是前期的合理定向也是很重要的防变形措施。对于批量零件打印,为了在一次打印任务中成形更多零件,就会关注单个零件在基板的投影面积,投影面积越小,一次就能摆放更多的零件,从而降低单件成本。除了以上4点,定向时也需考虑打印件的表面质量。由于增材制造具有逐层堆叠加工原理,数据准备阶段需将3维模型通过切片转化为2维片层数据,而层间距不是无限小的,因此层间会因切片厚度导致部分细节缺失,对于竖直结构特征,这种缺失还不太明显,但对于倾斜打印的结构,台阶效应就比较凸显,从而造成较差的表面质量。AMSTUDIO通过定向图功能,综合考虑以上5个因素,能够方便快捷地实现零件的最优定向。除此之外,也可以通过面朝下,手动平移与手动旋转等命令进行手动定向。AMSTUDIO案例—定向图支撑设计功能AMSTUDIO零件在基板上的定向完成后,进入第3步—“支撑”,AMSTUDIO中生成支撑的过程是比较智能的。首先,按照定向方案及悬垂角度,软件可以判断并标记出零件上的所有的支撑区域,并且将各个支撑区域以表格形式罗列,支撑区域按类型可以分为悬垂面和悬垂线。AMSTUDIO支撑界面及支撑区域列表工艺人员也可以通过经验对支撑区域进行编辑,下表是AMSTUDIO可以执行的操作。AMSTUDIO有5种支撑类型:1)杆支撑,有7种截面形状,适合自由曲面;2)块支撑,适合距离基板较近的悬垂面;3)自适应胞元支撑,适合距离基板较远的悬垂面;4)线支撑,适合悬垂线;5)树支撑,适合自由曲面。从左到右依次为:杆支撑、块支撑、自适应胞元支撑、线支撑、树支撑以上类型支撑,除了杆支撑有两种是实体,其余都是片体。AMSTUDIO的片体支撑结构不仅具有节材和省时的优势,而且几何稳定性好。杆支撑的7种形态AMSTUDIO案例—创建支撑排版打印功能AMSTUDIOAMSTUDIO在第4步—“排版”的类型有手动排版和自动排版两种,手动排版仅限于单个零件排版,需设置X向和Y向的零件数量和间距;自动排版应用更广泛,可以用于多种零件的排版,仅需输入各零件数量,算法将调整零件Z向角度,按照最大满版率排版,对于因零件数量过多而超出基板的情况,软件会报错提示。AMSTUDIO手动排版成形仿真功能AMSTUDIO由于增材制造过程中热应力较大,打印件会发生不同程度变形,造成零件尺寸超差,一般采用的控形方法有:1)通过变形仿真,得知变形区域,对其添加或强化支撑,加强约束;2)通过变形仿真,对变形区域进行补偿优化;3)优化扫描策略,降低易变形区域的热输入。AMSTUDIO内嵌了SimufactAdditive的成形仿真功能,能够预测打印变形风险并做反变形补偿。具体流程是:校核—网格划分—成形仿真—变形补偿。AMSTUDIO案例—网格划分AMSTUDIO案例—成形仿真切片填充功能AMSTUDIO获得变形补偿模型后,可以进行切片与填充,目前各品牌打印设备所能读取的打印文件数据格式各不相同。大部分厂商有自定义的数据格式,如SLMSolution的数据格式为.slm,Eplus3D的数据格式为.epi;也有一些设备商与数据准备软件合作,其设备支持的打印文件格式与软件的导出格式一致,如.job/.vbf等;另有个别厂商的设备内部集成填充软件,仅需导入.cli/.slc等切片文件,再由设备端完成路径规划。AMSTUDIO具有切片和切片填充两种加工策略。切片格式为.cli,填充格式与第一步选择的设备相关,若选择的是软件内集成的厂商设备,则生成的打印文件数据格式为厂商自定义的格式,这些打印文件不需解析即可上机打印;若选择的是自定义设备,则生成的打印文件为AMSTUDIO开发的.clix格式,其为压缩文件,解压后为两个.cli文件和一个.clip文件,.cli文件分别是零件(有可能包含实体支撑)和(片体)支撑的路径规划文件,.clip文件为激光参数文件。.clix格式需设备商完成解析,才能被设备读取和识别。目前有数家设备商已完成.clix格式的解析,这样不仅搭建了软件与打印设备之间的桥梁,能够实现数据准备的一站式解决,也极大增加了用户搭建打印平台的自由度。路径预览功能AMSTUDIOAMSTUDIO生成的路径可以在第6步“查看器”中预览。在这里可以逐层预览当前层的扫描路径,不同类型扫描线以不同颜色矢量线条显示。AMSTUDIO案例—路径预览(海克斯康工业软件)声明:本网站所收集的部分公开资料来源于互联网,转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享,并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责,也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传,对此类作品本站仅提供交流平台,不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题,请第一时间告知,我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容,以保证您的权益!联系电话:010-58612588或Email:editor@mmsonline.com.cn。打印加工图片机械切片打印机举报此信息 网友评论匿名:回复取消回复还没有人评论过,快抢沙发吧!请填写验证码:昵称评论相关链接MSCNastranGlobalLocal分析技术25-01-17生产制造|模具设计与制造-VISI料带设计25-01-17质量管理|中小企业质量入门级方案:实时交互式可视化监控25-01-17好课上新|解锁PC-DMIS高频常用技巧,让测量更简单25-01-17复杂齿轮测量不再难,QUINDOS软件助力WernerBauser实现质量提升25-01-16线下培训|2025年海克斯康设计与工程软件公开课计划正式启动25-01-13线下培训|2025年Q-DAS上海第一季度公开课正在报名25-01-13直播预告|CradleCFD新功能与技术介绍25-01-13设计仿真|马恒达使用Adams与ODYSSEE机器学习构建频率相关阻尼器准确预测行驶和操纵性能25-01-13生产制造|海克斯康ALPHACAM软件核心功能介绍25-01-13宝藏软件库上新,从容应对测量难题25-01-09设计仿真|基于Adams与Odyssee机器学习的超跑变速箱机构优化方案25-01-06设计仿真|MSCNastran高性能求解计算(二)25-01-06设计仿真|Digimat在NVH和热冲击的应用25-01-06生产制造|NCSIMUL模型比较——为安全高效生产保驾护航25-01-06质量管理|海克斯康数字化管理平台助力传动机械行业质量管理效率提升25-01-06设计仿真|海克斯康MSCNastran助力沃尔沃重型卡车实现最佳NVH性能24-12-30设计仿真|Digimat用于碰撞、冲击模拟热塑性塑料材料解决方案24-12-30设计仿真|Adams_Controls变拓扑分析24-12-30生产制造|产品加工-EDGECAM高效自动编程-自定义半自动编程篇24-12-30最新反馈注册获取更多行业信息暂无反馈无须注册,轻松沟通 姓名单位名称电话电子邮件留言详细需求信息请在此处填写海克斯康HEXAGON官方网站海克斯康HEXAGON产品一览海克斯康HEXAGON应用案例向海克斯康咨询编辑推荐2025新年特刊:打造新质生产力,智启未来新篇章定义制造业未来的数控加工中心技术专题航空航天及交通领域先进制造技术应用专题解码消费电子产品生产的数字化之路技术专题精密智能机床,助力制造升级技术专题汽车轻量化驱动下的零部件加工应用专题高性能铣刀实现高精加工生产技术专题航空航天发动机解决方案专题高效齿轮加工生产技术方案专题金属加工液的性能不止润滑技术应用专题重点推荐达诺巴特中国官网已全球同步产品e点通加工中心车床铣床磨床铣刀车刀镗刀涂层夹具(含刀柄)螺纹钻孔非标坐标测量长度仪器影像仪器预调设备切削液润滑油脂表面处理您关注的品牌您关注的主题猜您喜欢首页国际工业自动化造车网用户注册下载中心免责声明关于我们北京市朝阳区广渠门外大街8号优士阁B座1703 电话:010-58612588传真:010-58612665Copyright©1997-2025mmsonline.com.cn.Allrightsreserved.不良信息举报中心如果发现不良信息,请点击此处进行举报京ICP备14030960号-11京公网安备11010502047628号分享到相关主题海克斯康工业软件软件3D打印

【智能制造】 2025-01-22

国外PLM退局?国产PLM软件替换要点

【智能制造】 2025-01-22

智库报告

国际可再生能源署发布《2024年离网可再生能源统计》

可再生能源的离网发电虽然在大多数国家基本上没有记录,但据信正在迅速扩大。国际可再生能源机构(IRENA)通过结合调查、行政数据和案头研究的信息,试图阐明离网可再生能源部署的主要趋势。本出版物以三种语言形式提供了2014-2023年期间的统计数据,涵盖离网太阳能、水力、生物能源和风力发电容量、沼气生产以及使用离网电力和沼气做饭和照明的人数。离网可再生能源可以有多种来源,从大型孤立的电网到太阳能灯和太阳能家庭系统。除家庭外,离网可再生能源还为烹饪、抽水、街道照明、充电站、电信塔、农村学校和诊所以及偏远的商业和工业设施和其他用途提供电力。在全球范围内,该行业的主要趋势在随附的概要中概述,离网可再生能源亮点。这里提供的容量数据不包括IRENA年度容量统计中报告的所有离网电源。然而,它们确实提供了一些类型的离网可再生能源的最终用途的更多细节,以及使用此类能源的人数的信息。在离网太阳能、水电和沼气能源的测量和估计(IRENA,2018)中解释了用于编制这些数据的来源和方法。

【可再生能源】 2025-01-21

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煤炭2024--到2027年的分析与预测

【绿色化工】 2025-01-21

通往核能新时代的道路

【可再生能源】 2025-01-21

商业腾飞之路:清洁氢能

【新能源汽车】 2025-01-18

监测快报

《GIBH专利预警》2025年第3期

GIBH专利预警

【GIBH文献服务动态】

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《每日行业重要信息》2025年第3期

【绿色化工】 2025-01-21

《每日行业重要信息》2025年第2期

【绿色化工】 2025-01-13

《GIBH专利预警》2025年第2期

【GIBH文献服务动态】 2025-01-13

研究分析报告

空天信息产业国外发展形势调研

空天信息产业国外发展形势调研

【光电信息技术】 2024-12-31

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新能源产业发展态势(2023)

【可再生能源】 2024-06-20

磷矿产业技术分析报告

【关键矿产与绿色冶金】 2024-06-20

癌症与感染性疾病的免疫防治态势分析

【重大慢性病】 2024-06-17

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