Summary
Die folgenden Setup-Ansatzes Details Low-Power-optische Fallen von dielektrischen Nanopartikel mit einem Doppel-nanohole in Metallfolie.
Abstract
Optische Fallen ist eine Technik zum Immobilisieren und Manipulieren kleine Objekte auf schonende Weise mit Hilfe von Licht, und es wurde häufig in Einfangen und Manipulieren kleinen biologischen Partikel aufgebracht. Ashkin und Mitarbeiter erste optische Pinzette mit einem einzigen fokussierten Strahl 1 gezeigt. Das Einstrahl-Falle kann genau beschrieben unter Verwendung des perturbativen Gradientenkraft Formulierung im Falle von kleinen Teilchen ein Rayleigh-Regime. Im perturbativen Regime, die optische Leistung zum Einfangen eines Partikels Skalen als inverse vierten Potenz der Partikelgröße erforderlich. Hohe optische Kräfte beschädigen können dielektrische Teilchen und verursachen Heizung. So wurden gefangen Latexkugeln von 109 nm im Durchmesser von einem 15 mW Strahl in 25 sec 1, die schwerwiegende Folgen für die biologische Materie 2,3 zerstört hat.
Ein selbst-induzierter Back-Aktion (SIBA) optische Fallen wurde vorgeschlagen, 50 nm Polystyrol-Kügelchen in der Fallenichtperturbative Regimes 4. In einem nicht-perturbativen Regime kann selbst eine kleine Teilchen mit wenig Permittivität Kontrast zum Hintergrund signifikant beeinflussen die Umgebungstemperatur elektromagnetischen Feldes und induzieren eine große optische Kraft. Wie ein Teilchen tritt eine beleuchtete Blende, erhöht Lichtdurchlässigkeit dramatisch, weil der dielektrischen loading. Wenn das Teilchen versucht, die Öffnung zu verlassen, bewirkt verringerte Getriebe eine Veränderung des Impulses nach außen aus der Bohrung und durch Dritte Newton'sche, ergibt sich eine Kraft auf die Teilchen nach innen in das Loch, das Teilchen einzufangen. Die Lichtdurchlässigkeit kann überwacht werden, daher die Falle kann ein Sensor sein. Die SIBA Trapping Technik kann ferner durch die Verwendung eines Doppel-nanohole Struktur verbessert werden.
Die Doppel-nanohole Struktur hat sich gezeigt, um eine starke lokale Feldverstärkung 5,6. Zwischen den beiden scharfen Spitzen des doppelt nanohole kann eine kleine Teilchen zu einer großen Änderung der optischen transmission, wodurch Induktion einer großen optischen Kraft. Als Ergebnis können kleinere Nanopartikel eingeschlossen, wie zum Beispiel 12 nm Silikatkugeln 7 und 3,4 nm hydrodynamischen Radius Rinderserumalbumin Proteine 8 werden. In dieser Arbeit wird die experimentelle Konfiguration für Nanopartikel Trapping verwendet skizziert. Erstens haben wir Detail die Anordnung der Trapping-Setup, die auf einer Optische-Pinzette Thorlabs Kit basiert. Weiter erläutern wir die Nanofabrikation Verfahren des doppelseitigen nanohole in einem Metallfilm, der Herstellung der mikrofluidischen Kammer und der Probenvorbereitung. Schließlich bieten wir ausführlich den Einlesevorgang und typische Ergebnisse zum Einfangen 20 nm Polystyrol Nanokügelchen.
Protocol
Das Prinzip der SIBA Trapping-Technik ist in Abbildung 1 dargestellt. Abbildung 2 ist eine schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus.
Ein. Optical Trapping-Setup
Für diesen Abschnitt des Verfahrens zur optischen Trapping-Kit siehe Handbuch 9 oder das optische Kraftmessung Modul-Handbuch 10 für Einzelheiten zum Einrichten der Sets. Man beachte, dass eine Avalanche-Fotodiode (APD) anstelle eines Quadranten Positionsdetektor verwendet. Für Schrauben nicht in der optischen Trapping-Kit enthalten, verwenden Sie die, die in der Schraube und Hardware-Kit (Thorlabs, HW-KIT2). Augenschutz sollte immer getragen werden, wenn der Laser eingeschaltet ist. Stellen Sie sicher, dass der Strahl in einem sicheren Bereich und reflektierende Accessoires, wie Schmuck enthalten ist, sollte vermieden werden. Außerdem ist Schutz vor elektrostatischen Entladungen empfiehlt beim Umgang mit Laserdioden.
- Stellen Sie die optische Pinzette Kit (Thorlabs, OTKB / M) und die Kraft Maßnahmensung Modul (Thorlabs, OTKBFM) nach den jeweiligen Handbüchern. Silizium-basierte Lawinenphotodiode (APD) (Thorlabs, APD110A) anstelle der Kraftmessung Moduls (Thorlabs, OTKBFM) Quadranten Positionsdetektor verwendet.
- Schließen Sie die APD mit einem Oszilloskop (Tektronics, TDS1012) über ein Koaxialkabel.
- Hinzufügen eines Halbwellenplatte (Thorlabs, AHWP05M-980) im Inneren des Strahlexpander. Die Halbwellenplatte zwischen zwei Linsenaufnahmen (Thorlabs, SM1L03) befestigt ist.
2. Nanofabrication
- Cut eine goldbeschichtete Testträger (EMF Corp, Cr / Au) in vier identische Teile. Als Alternative zu den im Handel erhältlichen Folien, haben wir auch eine 100 nm dicke Au-Film mit einer 2 nm Ti Haftschicht abgeschieden durch Elektronenstrahllithografie Abscheidung auf einem 1 Quadratzoll Glasobjektträger Substrats bei einer erhöhten Temperatur von 200 ° C während verwendet mindestens 1 Std.. Dies erzeugt einen glatten polykristallinen Film.
- Erstellen eines Bitmapbilds der doppelsträngigen Struktur nanohole als Eingabe fürder fokussierte Ionenstrahl (FIB) System ist ein Bitmap. Das Bild besteht aus zwei volle Kreise, 160 nm Durchmesser mit einem Mittenabstand von 190 nm aufweist. Diese Vorlage erstellt einen Tipp Abstand von ca. 15 nm. Zwischen den Kreisen, kann eine optionale dünne Linie platziert, um alle Rückstände Metall in zwischen den Spitzen zu entfernen. 3a zeigt ein Beispiel Bitmapbild.
- Herstellung der Doppel-nanohole Struktur unter Verwendung eines FIB (Hitachi, FB-2100) Frässystem. Umrechnen Bitmap im Schritt 2.2 in einem FIB Fräsbildes (die dunklen Bereich im Bitmap wird durch das FIB gefräst). Verwenden einer Ionen Beschleunigungsspannung von 40 kV, einem Strahlbegrenzungsöffnung von 15 um Durchmesser unter 60 K-facher Vergrößerung. Mühle 80 Ausweise für einen Doppel-nanohole mit einer 5 usec Dosis Zeit bei jedem Durchgang. 3b zeigt eine typische resultierende Struktur. Wiederholen Sie nach Bedarf. Mehrere Nano-Lochmuster sollte für Fehler erlauben werden.
- Hinzufügen Registrierung Marker, entweder unter Verwendung des FIB und / oder von hund um anzuzeigen, die ungefähre Lage des doppelt nanohole (n).
- Wahlweise nehmen Sie eine REM-Aufnahme der Bohrungen genau zu evaluieren Struktur Qualität und tip Trennung.
3. Mikrofluidischen Kammer
Verfahren Flussdiagramm zur Fertigung des Mikrofluidik-Kammer ist in Abbildung 4 dargestellt.
- Gießen Sie 10 g Polydimethylsiloxan (PDMS) base (Dow Corning Canada, Sylgard 184 Siliconelastomer Base) und zusätzlich 1 g Härter (Dow Corning Canada, Sylgard 184 Siliconelastomer Härter) in einem Einwegbecher. Mischung für ein paar Minuten.
- Evakuieren Mischung in der Vakuumkammer, bis alle Luftblasen verschwunden sind.
- Gießen Sie 1,5 g PDMS in einer 9 cm Durchmesser Petrischale. Spin Mantel PDMS auf der Unterseite der Petrischale bei 950 rpm für 65 sec. Abbildung 4b zeigt das Ergebnis. Die Dicke ist nicht kritisch, solange sie unter 80 um beträgt; der Goldfilm ist innerhalb des unteren Mikroskop objektive die Arbeitsbedingungen zu erreichen.
- Sanft statt 05.03 # 1.5 Deckgläser (Fisher Scientific, 12-541-B) auf den PDMS, so dass sie sich nicht überlappen und für 30 min zu evakuieren, wie in Abbildung 4c gezeigt.
- Wenn Deckgläser bewegt und übereinander gestapelt übereinander während der Evakuierung, sanft bewegen sie sich gegenseitig. Vorsicht ist geboten, um PDMS unter Deckgläsern dünn und gleichmäßig zu halten genommen werden.
- Wenn eine Manipulation der Deckgläser wurde benötigt, evakuieren Petrischale erneut 30 min.
- Entfernen Petrischale aus der Vakuumkammer und kochen auf heißer Platte für 20 Minuten bei 85 ° C.
- Mit einer Rasierklinge herausgeschnitten einer der Deckel rutscht dann hebeln bis die Folie mit feiner Spitze Pinzette. Eine dünne Schicht aus PDMS wird auf dem Deckglas bleiben, wie PDMS ist mehr Klebstoff zur Deckglas als das PMMA Petrischale wie in 4e.
- Ausschneiden eines 3 x 3 mm großen Fenster im PDMS mit einer Rasierklinge, wie in 4f. Dieses Fenster bildet die Kammer, wo die nanoparticle Lösung gehalten werden.
4. Probenvorbereitung
- Fabrizieren einen Mikroskopobjektträger mit einem ¾ "Durchmesser Loch im Zentrum mit Acryl. Dies kann mit einem Laserschneider bewerkstelligt werden. Andere Materialien können ebenso verwendet werden. Das Gold Probe in der Vertiefung platziert werden.
- Band der Umfang des Lochs mit einem doppelseitigen Klebeband. Verwenden einer Rasierklinge überschüssige Band geschnitten.
- Ort Objektträger auf dem Deckglas, stehen PDMS up.
- Verdünnt das Polystyrol Nanokügelchen Lösung (Thermo Scientific, 3020A) von 1% w / v bis 0,05% w / v mit deionisiertem Wasser. Ein Mikropipette verwendet werden.
- Fügen Sie ein paar Tropfen der Lösung in der PDMS-Fenster. Fügen Sie einen Tropfen auf den Gold Probe, die Nano-Lochmuster befinden.
- Ort gold Probe auf der Oberseite des Deckgläser, dass die Nano-Lochmuster im Inneren des PDMS-Fenster sind. Stellen Sie sicher, Blasen sind nicht vorhanden in der Kammer. Drücken gold Probe gegen Deckglas und tupfen Sie überschüssige Lösung.
- Bei Verwendung eines Ölimmersionsobjektiv (wie es hier der Fall, aber nicht notwendig), einen Tropfen Immersionsöl auf der gegenüberliegenden Seite des Deckglases, unterhalb der PDMS-Fenster. Beachten Sie die Lage der Nano-Lochmuster.
- Legen Sie Objektträger in Diahalter, Öl nach unten, und senken Sie dann Diahalter bis Immersionsöl Kontakt mit dem Mikroskop-Objektiv.
- Grob ausrichten Dia Bühne, so dass Anzeige Marken unter dem objektiv sind.
- Folgen Indikator führenden Leitungen bis zu den Nano-Lochmuster. Schiebeschalter, dass Indikator Marken und andere offene Flächen von der Mitte des Bildschirms werden gelöscht. Übermäßige Lichtdurchlässigkeit kann zur Beschädigung der APD.
- Schalten Sie Laser. Wie der dichroitische Spiegel nicht perfekt ist, sollte ein Fleck in der Nähe der Mitte des Bildschirms aus dem Laserstrahl erscheint.
- Mit der Piezo-Bühne Steuerungs-Software, weiter zu verfeinern die Ausrichtung auf alle drei Achsen.
5. Data Acquisition
- Mit dem help der Indikator Marken, positionieren Sie den Ort in der Nähe eines bekannten nanohole Lage. Die Nano-Lochmuster zu klein sein, um gelöst werden und sollte nur erscheinen als Flecken.
- Die Lichttransmission durch die Probe wird durch den Signalpegel am Oszilloskop dargestellt. Weitere Angleichung der Probe als Lichttransmission zu maximieren. Seien Sie vorsichtig, der Indikator Marken und sichtbaren und nicht sichtbaren Kratzer Lichtdurchlässigkeit hoch sein wird in diesen Bereichen. Nano-Lochmuster zeigen plötzliche Sprünge in der Lichtdurchlässigkeit, während Kratzer mehr allmähliche Veränderungen aufweisen.
- Mit der Wellenplatte, passen Sie die Polarisation für höchste Lichtdurchlässigkeit das Doppel-nanohole Struktur ist polarisiert.
- Um das Rauschen zu minimieren, bauen ein RC-Filter mit dem Steckbrett, 200 kOhm Widerstand und 100 pF Kondensator und verbinden Sie es nach dem APD über ein Koaxialkabel. Diese Werte können für eine optimale Leistung eingestellt werden, in Anbetracht der Bandbreite von Datenerfassungs erforderlich.
- Schließen Sie Oszilloskop und Daten-Besitzstandsition Modul (Omega, USB-4711A) mit dem RC-Filter mit Koaxialkabel und T-Adapter.
- Probe Die APD Spannung mit dem Modul zur Datenerfassung für die gewünschte Zeit. Erwerb Zeiten sind in der Regel in den Hunderten von Sekunden. In diesem Fall wurde eine individuelle Software zur Datenerfassung verwendet. Die Spannung wird bei 2.000 Mal pro Sekunde abgetastet.
- Mit Matlab, filtern die erfassten Daten mit Hilfe eines Savitzky-Golay-Filter und plotten es gegen die Zeit in einem Diagramm.
Representative Results
Ein typisches Übernahme Spur in Abbildung 5a dargestellt. Ein Fangpro ist charakteristischerweise plötzliche, mit einer scharfen Kante, die einen Löschschalter zwischen zwei Sendeleistungspegeln. Als Partikel können sich Brownsche Bewegung, werden die Ereignisse einzufangen zufällig auftreten. Für 20 nm Partikel waren Getriebe wechselt vom Trapping typischerweise etwa 5-10% und Trapping Zeiten, rund 10-300 sec. Die typische Zeit, um ein Ereignis für das Einfangen und Konzentration skizzierten erreichen ist in der Größenordnung von einer Minute. Aufgrund der sterischen Hinderung ist es unüblich, Mehrfachpartikelstrahl Trapping gleichzeitig zu sehen, obwohl einmal ein Teilchen freigesetzt wird, wird typischerweise durch ein anschließendes Abfangen Ereignis. Abhängig von der Qualität der Ergebnisse kann es eine gewisse Erhöhung des Signalrauschens in dem eingeschlossenen Zustand befinden. Dieses Rauschen Anstieg stammt aus der Brownschen Bewegung der eingefangenen Teilchen. Ohne die gefangenen Partikels, das ist Lärmquelle nicht vorhanden.
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Abbildung 1 Subwavelength Öffnung optisches Übertragungssystem: a) Ohne Teilchen, b) Erhöhung der Übertragung durch dielektrische Teilchen, c) Wenn Teilchen Versuche lassen, wird die Abnahme der Licht Momentum (AT) eine Kraft (F) auf der Partikeloberfläche zu bewirken. hinten ziehen in das Loch, d) Rot-Verschiebung der Transmissionskurve des Teilchen verursacht, was zur Änderung der Transmission AT.
. Abbildung 2 a) Insgesamt schematische einzufangen Setup wird die Erweiterung der rote Kreis in b dargestellt), b) Erweiterung, die die Doppel-nanohole und die Nanokügelchen im Inneren des PDMS Kammer; c) REM-Aufnahme der Doppel-nanohole Struktur. Akronyme verwendet: LD = Laserdiode; ODF = optische Dichte Filter; HWP = Halbwellenplatte; BE = Strahlaufweiter; MR = Spiegel; MO = Mikroskopobjektivs; OI MO = Öl Immersion Mikroskopobjektivs; DH = Doppel-nanohole; APD = Avalanche-Photodetektor.
Abbildung 3 a) Beispiel Bitmap-Figur in der FIB Herstellung verwendet;. B) Eine REM-Aufnahme eines Doppel-nanohole.
Abbildung 4. Prozessdiagramm zur Herstellung der mikrofluidischen Kammer.
Abbildung 5. (A) Typische Erwerb von Trapping Ereignisse sind mit 20 nm Polystyrol-Kügelchen. (B) Eine schlechte Akquisition zeigt akuten drifting.
Discussion
Das aktuelle Setup verfügt über wirksame Trapping Fähigkeiten aufgrund der Struktur des nanohole. Dies nanohole Fallen ~ 10 nm-Skala dielektrischen Teilchen bei niedrigen optischen Intensitäten. Andere neuartige optische Fallen umfassen optische Dipolantennen 11, Flüstern-Galerie-mode optischen Resonatoren 12,13 und Wellenleiter 14, aber sie typischerweise im perturbativen Regime betrieben, die von der vierten Ordnung inversen Skalierung der erforderlichen optischen Leistung als Funktion der Partikel begrenzt ist Größe, im Gegensatz zu den SIBA und doppelklicken nanohole Falle. Alternative Öffnungsformen haben auch zum Einfangen, wie etwa eine rechteckige plasmonischen Nanopore 15 vorgelegt. Andere günstige Eigenschaften durch den Doppelpfeil nanohole Trap gezeigt sind Korngröße-selektive Verhalten 7, eine einzelne Trapping Lage (zu Multi-Teilchens Trapping begrenzen) und 16 einfache Herstellung. Als Alternative zur Verwendung eines FIB können doppelsträngige Nano-Lochmuster unter Verwendung einer kolloidalen Lithographie hergestellt werdeny 6.
Einfangen von biologischen Materialien von großen Polarisierbarkeit und Größe hat Bakterien 3 enthalten, lebende Zellen 17,2,18, das Tabakmosaikvirus 3 und Manipulation und Streckung der DNA-Stränge an den Enden mit großen dielektrischen Partikel 19 angebunden, jedoch direkten Abfangen der kleineren biologischen Proben ohne Tethering bleibt eine Herausforderung. Dieses Einfangen Konfiguration fähig ist Einfangen kleinen dielektrischen Partikel bei niedrigeren Lichtintensitäten als herkömmliche Licht Pinzette und des kreisförmigen nanohole, es kleinen biologischen Partikel für längere Zeit ohne Beschädigung oder Halteseilelement stattfinden. Auch weisen die Trapping-Ereignissen ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht diese Konfiguration als Sensor arbeiten und erkennen die kleinste biologische Partikel wie Viren und Proteine. In der Tat haben 20 nm Polystyrolkugeln einen Brechungsindex von 1,59, die vergleichbar mit den kleinsten Teilchen biologischewie Viren. Diese Methode könnte eine zuverlässige und ausgereifte Technik zur Immobilisierung und Manipulation von Nanopartikeln, einschließlich der biologischen Partikel zu werden.
Anwendungen dieser Technik gehören die Integration in einem mikrofluidischen Umgebung. Anstelle eines einzigen Mikrofluidik-Kammer, würde ein Kanal verwendet, um dynamisch steuern die Umgebung zum Brechungsindex sensing werden. Ein solches Setup würde in einem mikrofluidischen Chip was zu einer stabilen und robusten Aufbau und eine schnellere Analyse von gelösten Stoffen eingestellt werden. Eine weitere Option ist die Entwicklung eines Fluoreszenz-Detektion Schema zur Charakterisierung einzelner fluoreszierender-markierten Viren, Halbleiter-Quantenpunkten und grün fluoreszierende Proteine. Dieser Aufbau hat auch Potential zum Umrüsten auf einen Biosensor für einen einzigen Virus oder Protein, so dass sehr kleine Proben zu analysieren. Drug Discovery 21 und Krankheiten und Infektionen Detektion 22 würde von einem einzigen Protein-Detektor profitieren. Raman spectroscopy können zur Detektion von Raman-Signale von Partikeln und einzigen verbindlichen Veranstaltungen aufgenommen werden. Die Doppel-nanohole Struktur ermöglicht starke lokale Feld Erweiterungen an den Spitzen, geeignet für Tip-enhanced Raman-Spektroskopie 23. Eine hochspezifische label-freie Methode der Materialcharakterisierung wäre es auch möglich mit Hilfe der Raman-Spektroskopie 24.
Disclosures
Produktion und den freien Zugang zu diesem Artikel durch Thorlabs gesponsert.
Acknowledgments
Wir erkennen Thorlabs für Sponsoring diese Veröffentlichung und die Finanzierung aus dem Natural Science and Engineering Research Council (NSERC) of Canada Discovery Grant. Wir danken Bryce Cyr und Douglas Rennehan für die Produktion Unterstützung bei der Erstellung dieses Video Artikel.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Immersion Oil | Cargille Labs | 16484 | Quantity: 1 |
| Sylgard 184 Silicone Elastomer Kit | Dow Corning Canada | Quantity: 1 Contains both PDMS base and curing agent |
|
| Gold Coated Test Slides | EMF Corp | Cr/Au | Quantity: 1 A Ti adhesion layer can be used as well |
| No 1.5 Coverslips | Fisher Scientific | 12-541-B | Quantity: 1 |
| Focused-Ion Beam System | Hitachi | FB-2100 | |
| Portable Data Acquisition Module | Omega Engineering | USB-4711A | Quantity: 1 |
| Linear Stage | Parker | 4034M | Quantity: 1 |
| Laser Diode Head and Controller | Sacher Lasertechnik Group | TEC 120 | Quantity: 1 Manual Tunable Littrow Laser System |
| Digital Oscilloscope | Tektronics | TDS1012 | Quantity: 1 |
| 20 nm Nanosphere Size Standards | Thermo Scientific | 3020A | Quantity: 1 |
| 1" Lens Mount |  Thorlabs |
LMR1 | Quantity: 1 |
| 0.3" Lens Tube | Thorlabs |
SM1L03 | Quantity: 2 |
| Absorptive ND 4.0 Filter | Thorlabs |
NE40A | Quantity: 1 |
| Aluminum Breadboard | Thorlabs |
MB1824 | Quantity: 1 |
| Avalanche Photodiode | Thorlabs |
APD110A | Quantity: 1 |
| Digital Optical Power Meter | Thorlabs | PM100 | Quantity: 1 Obsolete, others will do |
| Force Measurement Module | Thorlabs | OTKBFM | Quantity: 1 |
| Kinematic Mirror Mount | Thorlabs | KM200-E03 | Quantity: 1 With Near IR Laser Quality Mirror |
| Laser Diode Constant Current Driver | Thorlabs | LD1255R | Quantity: 1 |
| LD1255 Optical Table Mounting Plate | Thorlabs | LD1255P | Quantity: 1 |
| Mounted Achromatic Half-Wave Plate | Thorlabs | AHWP05M-980 | Quantity: 1 690 - 1200 nm |
| Optical Tweezer Kit | Thorlabs | OTKB/M | Quantity: 1 Metric or Imperial |
| Post Holder Base | Thorlabs | BA2 | Quantity: 2 |
| Power Supply | Thorlabs | PS-12DC-US | Quantity: 1 |
| Power Supply Cable | Thorlabs | LD1255-CAB | Quantity: 1 |
| Right Angle Plate | Thorlabs |
AP90 | Quantity: 1 |
| Right Angle Post Clamp | Thorlabs |
RA90 | Quantity: 1 |
| Stainless Steel Optical Post | Thorlabs |
TR3 | Quantity: 1 |
| Table Clamp | Thorlabs |
CL1 | Quantity: 2 Obsolete, others will do |
| Thermal Sensor | Thorlabs |
PM210 | Quantity: 1 For digital optical power meter |
| 100 pF Capacitor | Quantity: 1 Any brand, not critical |
||
| 200 KOhm Resistor | Quantity: 1 Any brand, not critical |
||
| Acrylic Sheet | Quantity: 3" x 1" Any brand, not critical |
||
| Assortment of coaxial cables, wires and connectors | As needed | ||
| Breadboard | Quantity: 1 Any brand, not critical |
||
| Concave Lens | Quantity: 1 Any brand, not critical |
||
| Diamond Cutter | Quantity: 1 Any brand, not critical |
||
| Double Sided Tape | Any brand, not critical | ||
| Razor Blade | Quantity: 1 Any brand, not critical |
||
| Tweezers | Quantity: 1 Any brand, fine tipped |
References
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