CN111207242A - 流体驱动控制阀及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体驱动控制阀及其使用方法，其中流体驱动控制阀，用于微流控碟片，包括远心端流体单元、近心端流体单元、流体转移单元及连通近心端流体单元与远心端流体单元的气路管道，远心端流体单元的流体出口旋转半径大于近心端流体单元的流体入口旋转半径，远心端流体单元的流体出口位于远心端流体单元的远旋转中心端，近心端流体单元流体入口位于近心端流体单元的近旋转中心端。近心端流体单元及流体管道的吸水力高于远心端流体单元的吸水力，当离心停止后，远心端流体单元液体在毛细作用下经由流体管道转移至近心端流体单元。本申请提供的流体驱动控制阀便于微流控碟片中流体转移。

Description

流体驱动控制阀及使用方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种流体驱动控制阀。本发明又涉及一种流体驱动控制阀的使用方法。

背景技术

在离心式微流控系统中，液体的驱动力主要为沿半径方向从远心端向外的离心力，并可根据实际需要结合虹吸阀等功能结构实现液体流动在时序上的控制。利用芯片旋转时产生的离心力驱动液体降低了液体控制系统的复杂度，是简单微流体系统中常常采用的一种微流体驱动方案。对液体的驱动力只有一个大致的方向，即沿半径方向从近心端指向远心端。

如图1所示，生化反应芯片中，中心位置01沿径向向外顺次连通上游流体单元02、远心端流体单元03和下游流体单元04，其中，气路通道05连通上游流体单元和下游流体单元便于液体沿半径方向向外侧流动。

然而，对于复杂的微流控系统尤其是对高度集成的生物检测微流控碟片来说，其需要操控的液体种类、需要实现的反应流程往往较多，与操作步骤和反应流程增多伴随而来的一个突出问题就是芯片的半径不断增大，而且液体处理步骤或反应流程越多，需要的半径越大。微流控碟片半径增大后，不仅给芯片的制造和配套仪器系统带来了诸多困难，而且对其应用带来了极大限制。同时流体转移过程中，需要借助外力进行流体转移，导致微流控碟片中流体转移步骤的操作繁琐。

因此，如何便于微流控碟片中流体转移，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种流体驱动控制阀，以便于微流控碟片中流体转移。本发明的又一目的是提供一种流体驱动控制阀的使用方法。

为实现上述目的，本发明提供一种流体驱动控制阀，用于微流控碟片，包括远心端流体单元、近心端流体单元、流体转移单元及连通所述近心端流体单元与所述远心端流体单元的气路管道，所述远心端流体单元的流体出口旋转半径大于所述近心端流体单元的流体入口旋转半径，所述远心端流体单元的流体出口位于所述远心端流体单元的远旋转中心端，所述近心端流体单元流体入口位于近心端流体单元的近旋转中心端；

所述流体转移单元为流体管道，所述流体管道的进液端和出液端分别与所述远心端流体单元的流体出口和所述近心端流体单元的流体入口连接；

其中，所述近心端流体单元及所述流体管道的吸水力高于所述远心端流体单元的吸水力，当离心停止后，所述远心端流体单元液体在毛细作用下经由所述流体管道转移至所述近心端流体单元。

优选地，所述近心端流体单元为一个；

或者所述近心端流体单元至少为两个，各个所述近心端流体单元独立设置。

优选地，所述近心端流体单元为一个腔体或者一段流体管道结构。

优选地，当所述近心端流体单元为一个腔体时，所述腔体的高度为0.01mm-2mm的薄腔体或2mm-10mm的厚腔体。

优选地，当所述近心端流体单元为一段流体管道结构时，所述流体管道结构横截面等效直径为0.01mm-2mm。

优选地，所述近心端流体单元内壁设有微型阵列结构，所述微型阵列结构为圆形、椭圆形或多边形。

优选地，所述近心端流体单元内设有呈块状或层状的流体吸附结构，所述流体吸附结构与待检测样本不反应。

优选地，所述流体管道为一个；

或者，所述流体管道为多个，各个所述流体管道独立设置。

优选地，所述流体管道的管道横截面形状为矩形、圆形或椭圆形，所述流体管道的管道横截面的等效直径为0.01mm-2mm。

优选地，所述流体管道内壁设有微型阵列结构，所述微型阵列结构可以为圆形、椭圆形或多边形。

优选地，所述流体驱动控制阀在径向及圆周方向设置一个或多个。

优选地，所述流体驱动控制阀的旋转中心位置位于反应器外部，或者位于反应器内部。

一种流体驱动控制阀的使用方法，用于上述所述的流体驱动控制阀，包括方法：

对所述流体管道及所述近心端流体单元用表面活性剂进行亲和表型修饰；

或，所述流体管道及所述近心端流体单元为非亲和表型，对所述远心端流体单元内的液体添加表面活性剂。

优选地：

所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠和/或聚乙二醇辛基苯基醚和/或琼脂糖和/或吐温层和/或多肽。

在上述技术方案中，本发明提供的流体驱动控制阀，用于微流控碟片，包括远心端流体单元、近心端流体单元、流体转移单元及连通近心端流体单元与远心端流体单元的气路管道，远心端流体单元的流体出口旋转半径大于近心端流体单元的流体入口旋转半径，远心端流体单元的流体出口位于远心端流体单元的远旋转中心端，近心端流体单元流体入口位于近心端流体单元的近旋转中心端。流体转移单元为流体管道，流体管道的进液端和出液端分别与远心端流体单元的流体出口和近心端流体单元的流体入口连接。其中，近心端流体单元及流体管道的吸水力高于远心端流体单元的吸水力，当离心停止后，远心端流体单元液体在毛细作用下经由流体管道转移至近心端流体单元。流体驱动控制阀工作时，远心端流体单元内液体通过流体管道进入近心端流体单元，液体进入近心端流体单元后在离心力作用心下流入近心端流体单元的下游单元中。

通过上述描述可知，在本申请提供的流体驱动控制阀中，通过流体管道将距离旋转中心较远的远心端流体单元内液体输送至距离旋转中心较近的近心端流体单元，实现液体近心回流，在进行回流过程中近心端流体单元及流体管道的吸水力高于远心端流体单元的吸水力，在毛细作用下即可实现流体转移，无需借助外界作用力，操作简单，便于微流控碟片中流体转移。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为传统的微流控碟片的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的微流控碟片的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的第一种流体驱动控制阀的安装位置图；

图4为本发明实施例所提供的第二种流体驱动控制阀的安装位置图；

图5为本发明实施例所提供的第三种流体驱动控制阀的安装位置图；

图6为本发明实施例所提供的第四种流体驱动控制阀的安装位置图；

图7为本发明实施例所提供的第五种流体驱动控制阀的安装位置图；

图8为本发明实施例所提供的第六种流体驱动控制阀的安装位置图；

图9为本发明实施例所提供的微流控碟片的具体结构图。

其中图1-9中：01、中心位置；02、上游流体单元；03、远心端流体单元；04、下游流体单元；05、气路通道；

1、旋转中心位置；

2、上游流体单元；2a、前段细胞裂解区；2b、纯化区；

3、远心端流体单元；

4、下游流体单元；4a、一级下游流体单元；4b、二级下游流体单元；4-1、第一下游流体单元；4-2、第二下游流体单元；

5、气路管道；

6、流体管道；6a、一级流体管道；6b、二级流体管道；6-1、第一流体管道；6-2、第二流体管道；6-3、第三流体管道；6-4、第四流体管道；6-5、第五流体管道;

7、近心端流体单元；7a、一级近心端流体单元；7b、二级近心端流体单元；7-1、第一近心端流体单元；7-2、第二近心端流体单元；

8、远心端入口通道；

9、近心端出口通道；9a、一级近心端出口通道；9b、二级近心端出口通道。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种流体驱动控制阀，以减小微流控碟片在旋转半径方向的尺寸。本发明的又一核心是提供一种流体驱动控制阀的使用方法。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图2至图9。

在一种具体实施方式中，本发明具体实施例提供的流体驱动控制阀，用于微流控碟片，包括远心端流体单元3、近心端流体单元7、流体转移单元及连通近心端流体单元7与远心端流体单元3的气路管道5，流体转移单元用于将远心端流体单元3内流体驱动至近心端流体单元7内，近心端流体单元7位于流体转移单元的下游，流体转移单元为流体管道6，如图2至图8所示，远心端流体单元3的流体出口旋转半径大于近心端流体单元7的流体入口旋转半径，优选，远心端流体单元3的流体出口旋转半径大于近心端流体单元7的流体出口旋转半径。具体的，远心端流体单元3的流体入口外部设置有远心端入口通道8与外部液体输入装置连接，近心端流体单元7的流体出口外部设置有近心端出口通道9将液体输出。

流体转移单元为一段流体管道6，流体管道6的进液端和出液端分别与远心端流体单元3的流体出口和近心端流体单元7的流体入口连接。远心端流体单元3通常为微流控碟片上多步液体转移过程中处于中间环节的一个流体池，该流体池设有至少一个流体入口和至少一个流体出口。

其中，近心端流体单元7及流体管道6的吸水力高于远心端流体单元3的吸水力，当离心停止后，远心端流体单元3中液体在毛细作用下经由流体管道6转移至近心端流体单元7。

具体的，气路管道5设置在远心端流体单元3（或上游流体单元2）和近心端流体单元7（或其下游流体单元4）之间，具体的，气路管道5可以设置为一个或多个。

具体的，近心端流体单元7设有通气口，气路管道5与通气口连接，通气口位于近心端流体单元7近心端，且远离近心端流体单元7的流体入口。

当液体沿流体管道6从远心端流体单元3向近心端流体单元7内转移时，气路管道5可维持两个流体池之间的气压平衡从而使液体的持续转移得以实现。

其中，近心端流体单元7或其下游至少还设有一个气体连通出口，实现气路管道5连通。

近心端流体单元7内壁设有微型阵列结构，微型阵列可以为圆形、椭圆形或多边形等，便于流体转移。

具体的，流体管道6内壁设有微型阵列结构，微型阵列结构可以为圆形、椭圆形或多边形，具体的，可以三角形或四边形等，当为四边形时具体可以为矩形结构。

流体管道6的进液端和出液端分别与远心端流体单元3的流体出口和近心端流体单元7的流体入口连接。

在一种具体实施方式中，近心端流体单元7的流体入口大于近心端流体单元7的流体出口旋转半径，便于将液体及时在离心力的作用下由近心端流体单元7排出至下游。

具体的，远心端流体单元3内可以人工直接加入流体或在一定外力尤其是离心力下，将其上游流体转移至远心端流体单元3。

具体的，流体驱动控制阀在径向及圆周方向空间设置一个或多个。具体的，微流控碟片沿在旋转方向的径向方向布置。

流体驱动控制阀工作时，首先微流控碟片保持静置，远心端流体单元3内液体在表面张力的作用下进入流体管道6，并通过流体管道6到达近心端流体单元7，液体进入近心端流体单元7后在离心力作用心下流入近心端流体单元7的下游单元中。

具体的，该流体驱动控制阀的旋转中心位置1可位于反应器内，也可位于反应器外。

通过上述描述可知，在本申请提供的流体驱动控制阀中，通过流体管道6将距离旋转中心位置1较远的液体输送至距离旋转中心位置1较近的近心端流体单元7，实现液体近心回流，进而使得与近心端流体单元7连接的下游单元结构距离旋转中心较近，进而减小微流控碟片在旋转半径方向的尺寸。

同时，在进行回流过程中近心端流体单元7及流体管道6的吸水力高于远心端流体单元3的吸水力，在毛细作用下即可实现流体转移，无需借助外界作用力，操作简单，便于微流控碟片中流体转移。

具体的，流体管道6可以为一个，如图3所示的第一种流体驱动控制阀、图5所示的第三种流体驱动控制阀和图7所示的第五种流体驱动控制阀。

为了提高液体转移效率，优选，流体管道6至少为两个，各个流体管道6独立设置。当流体管道6为三个时，具体如图4所示的第二种流体驱动控制阀，流体管道6包括并列设置的第一流体管道6-1、第二流体管道6-2和第三流体管道6-3。具体的，流体管道6的管道横截面形状为圆形、椭圆形或多边形等。当流体管道6的管道横截面为多边形时，具体可以为矩形或梯形等，当然根据实际需要还可以设置为其它形状。

流体管道6的管道横截面的等效直径为0.01mm-2mm，具体的，流体管道6的管道横截面的等效直径为0.05mm-1mm，流体管道6的管道横截面的等效直径可以为0.05mm、0.2mm、0.5mm、0.8mm等。流体管道6的具体形状、尺寸及数量可根据需要的流体回流速率进行选择。

在一种具体实施方式中，流体管道6和/或近心端流体单元7的内壁或内壁局部为亲和型表面。具体的，亲和型表面可以为十二烷基硫酸钠（SDS）层、聚乙二醇辛基苯基醚（Triton X-100）层、琼脂糖层、吐温（Tween80/Tween20）层或多肽层，也可为特定纳米材料或任何可降低液体与管壁接触角并与所要操作的试剂和后续反应相容的成份等。管道的修饰可以选用预先修饰如气相化学沉积或用含有表面活性剂的溶液涂敷并晾干。可用的表面活性剂包括但不限于Tween80、Tween20、TritonX-100、糖类、多肽等，或任何可降低液体与管壁接触角并与所要操作的试剂和后续反应相容的成份。

流体管道6和/或近心端流体单元7的内壁或内壁的局部位置进行亲和型表面处理；对要通过该内壁的液体来说，其与被处理表面的接触角比其与未处理表面的接触角更小，处理后的表面更有利于该液体在表面张力的驱使下在流体管道6内流动，从而更利于液体在表面张力的作用下进入流体管道6并到达近心端流体单元7。

在一种具体实施方式中，近心端流体单元7的流体入口数量与流体管道6一一对应。具体的，优选，近心端流体单元7的流体入口设置在靠近旋转中心位置1一端，近心端流体单元7的流体出口设置在远离旋转中心位置1一端。

具体的，近心端流体单元7至少为两个，各个近心端流体单元7独立设置，近心端流体单元7与流体管道6数量相等，且一一对应，如图8所示，第四流体管道6-4与第一近心端流体单元7-1连接，第五流体管道6-5与第二近心端流体单元7-2连接，第一近心端流体单元7-1下游与第一下游流体单元4-1连接，第二近心端流体单元7-2下游与第二下游流体单元4-2连接。

其中，近心端流体单元7腔体的体积与待转移流体体积呈正比，所以通过控制近心端流体单元7腔体的体积，可实现对液体的定量转移。

具体的，近心端流体单元7为一个腔体或者一段流体管道结构。具体的，近心端流体单元7为腔体高度位于0.01mm-2mm的薄腔体，优选位于0.05mm-1mm之间，使近心端流体单元7保持一定毛细力。

在另一种具体实施方式中，近心端流体单元7为设有预设深度的流体池，近心端流体单元7为腔体高度位于2mm-10mm的厚腔体，具体的，近心端流体单元7为流体池深为3mm、4mm或5mm等。

近心端流体单元7内设有流体吸附结构，流体吸附结构与待检测样本不反应。即流体吸附结构的材料本身应对所吸附液体具有良好的化学惰性，吸附液体后不易改变液体的成份。具体的，近心端流体单元7内容纳放置一定质量的流体吸附结构。

为了提高液体转移效率，优选，流体吸附结构直接接触或靠近近心端流体单元7的流体入口。

具体的，流体吸附结构呈块状或层状设置于近心端流体单元7内。当流体吸附结构呈块状，优选，流体吸附结构设置多块。

当流体吸附结构为层状设置时，流体吸附结构可以为多孔吸水纸、纱布、二氧化硅纤维、海绵或胶棉等。流体吸附结构优选为多层叠置设置，由于设置多孔性材料如吸水纸、纱布、二氧化硅纤维、海绵、胶棉等，吸附材料一般可选用对液体具有良好吸附能力，进一步提高液体转移效率。

当流体进入近心端流体单元7时，由于流体吸附结构的吸附作用，远心端流体单元3内的液体会以一定的速率源源不断地通过流体管道6进入近心端流体单元7内的流体吸附结构中，直到远心端流体单元3内液体全部被吸附材料吸收或吸附材料达到饱和。

当完成液体从远心端向近心端的转移后，在离心力作用下，近心端流体单元7内被吸附的液体从吸附材料中释放出来并通过流体出口进入下游流体单元4内。

在一种具体实施方式中，近心端流体单元7内流体吸附结构的体积与待吸附流体体积呈正比，所以控制吸附材料的体积，可实现对液体的定量转移。

具体的，如图3、图4、图6和图7所示，近心端流体单元7内可以充满流体吸附结构。也可以根据需要，如图5所示，根据待吸附液体体积，定量填充流体吸附结构。

本申请通过将简单的表面张力与吸水材料相结合实现了流体的转移，并通过控制流体吸附结构的体积来实现流体的定量转移，通过控制流体管道6的尺寸与数量实现流体的转移速率，并且该方法可实现流体的100%转移。

本申请具有以下优点：1.结构简单，便于加工制造；2.无需额外驱动力或特殊条件；3.易于集成且通用性好。

当流体驱动控制阀用于微流控碟片，上游流体单元2与下游流体单元4之间连接有流体驱动控制阀，近心端流体单元7的流体出口与下游流体单元4的流体入口通过管道连接，上游流体单元2位于远心端流体单元3的上游。

具体的，气路管道5通过上游流体单元2与远心端流体连通，气路管道5通与下游流体单元4连接。

在一种具体实施方式中，如图7所示，下游流体单元4为多个，相邻两个流体单元之间通过流体驱动控制阀连接。下游流体单元4包括一级下游流体单元4a和二级下游流体单元4b。此时，一级下游流体单元4a作为两者之间流体驱动控制阀的远心端流体单元。

下面根据如图9所示对流体驱动控制阀工作过程进行介绍，此时远心端流体单元3为混合与预扩增池，近心端流体单元7作为核酸收纳池，下游流体单元4为核酸定量与扩增检测单元，具体说明流体驱动控制阀在微流控碟片工作过程：

1、前段细胞裂解区2a作为细胞裂解区，将待检测样本加入该裂解池，经过一定的裂解获得核酸分子。

2、纯化区2b作为核酸纯化区，将细胞裂解区获取的混合核酸，经过该纯化区2b，获取高纯度核酸。

3、通过一定离心力，将获得的高纯度转移至混合与预扩增池。

4、核酸通过流体管道6转移，此时流体管道6的长度20 mm -40mm，管道尺寸宽*深约0.1 mm -1mm*0.1 mm -1mm，流体管道6管道数可以设置1-5条，可以为根据流体回流速率进行调整确定，回流时间可以在10s-90s内控制，并进行微管道表面修饰，可以选用化学修饰，如表面活性剂Tween80、Tween20、TritonX-100等。

5、在核酸收纳池放置一定的吸水材料，可以选用硅膜这种吸水性强且脱水性也良好的材料，将通过流体管道6转移至核酸收纳池。。

6、在一定离心力条件下，核酸收纳池内的液体进入核酸定量与扩增检测单元，核酸定量与扩增检测单元包括作为一级下游流体单元4a的核酸定量池和作为二级下游流体单元4b的扩增检测区。

本申请提供的一种流体驱动控制阀的使用方法，用于上述微流控碟片，包括方法：对流体管道6及近心端流体单元7用表面活性剂进行亲和表型修饰。

或，流体管道6及近心端流体单元7为非亲和表型，对远心端流体单元6内的液体添加表面活性剂。

表面活性剂包括但不限于十二烷基硫酸钠、聚乙二醇辛基苯基醚、琼脂糖、吐温层或多肽。具体表面活性剂可以为其中两种物质的混合物。

前文叙述了关于微流控碟片的具体结构，本申请包括上述微流控碟片，同样具有上述技术效果，同时通过设置表面活性剂，便于流体快速转移，有效地提高了流体驱动控制阀工作效率。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (14)

1.一种流体驱动控制阀，其特征在于，用于微流控碟片，包括远心端流体单元（3）、近心端流体单元（7）、流体转移单元及连通所述近心端流体单元（7）与所述远心端流体单元（3）的气路管道（5），所述远心端流体单元（3）的流体出口旋转半径大于所述近心端流体单元（7）的流体入口旋转半径，所述远心端流体单元（3）的流体出口位于所述远心端流体单元（3）的远旋转中心端，所述近心端流体单元（7）流体入口位于近心端流体单元的近旋转中心端；

所述流体转移单元为流体管道（6），所述流体管道（6）的进液端和出液端分别与所述远心端流体单元（3）的流体出口和所述近心端流体单元（7）的流体入口连接；

其中，所述近心端流体单元（7）及所述流体管道（6）的吸水力高于所述远心端流体单元（3）的吸水力，当离心停止后，所述远心端流体单元（3）液体在毛细作用下经由所述流体管道（6）转移至所述近心端流体单元（7）。

2.根据权利要求1所述的流体驱动控制阀，其特征在于，所述近心端流体单元（7）为一个；

或者，所述近心端流体单元（7）至少为两个，各个所述近心端流体单元（7）独立设置。

3.根据权利要求1所述的流体驱动控制阀，其特征在于，所述近心端流体单元（7）为一个腔体或者一段流体管道结构。

4.根据权利要求3所述的流体驱动控制阀，其特征在于，当所述近心端流体单元（7）为一个腔体时，所述腔体的高度为0.01mm-2mm的薄腔体或2mm-10mm的厚腔体。

5.根据权利要求3所述的流体驱动控制阀，其特征在于，当所述近心端流体单元（7）为一段流体管道结构时，所述流体管道结构横截面等效直径为0.01mm-2mm。

6.根据权利要求1所述的流体驱动控制阀，其特征在于，所述近心端流体单元（7）内壁设有微型阵列结构，所述微型阵列结构为圆形、椭圆形或多边形。

7.根据权利要求1所述的流体驱动控制阀，其特征在于，所述近心端流体单元（7）内设有呈块状或层状的流体吸附结构，所述流体吸附结构与待检测样本不反应。

8.根据权利要求1所述的流体驱动控制阀，其特征在于，所述流体管道（6）为一个；

或者，所述流体管道（6）为多个，各个所述流体管道（6）独立设置。

9.根据权利要求1所述的流体驱动控制阀，其特征在于，所述流体管道（6）的管道横截面形状为矩形、圆形或椭圆形，所述流体管道（6）的管道横截面的等效直径为0.01mm-2mm。

10.根据权利要求1所述的流体驱动控制阀，其特征在于，所述流体管道（6）内壁设有微型阵列结构，所述微型阵列结构可以为圆形、椭圆形或多边形。

11.根据权利要求1所述的流体驱动控制阀，其特征在于，所述流体驱动控制阀在径向及圆周方向设置一个或多个。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的流体驱动控制阀，其特征在于，所述流体驱动控制阀的旋转中心位置（1）位于反应器外部，或者位于反应器内部。

13.一种流体驱动控制阀的使用方法，其特征在于，用于如权利要求1-12中任一项所述的流体驱动控制阀，包括方法：

对所述流体管道（6）及所述近心端流体单元（7）用表面活性剂进行亲和表型修饰；

或，所述流体管道（6）及所述近心端流体单元（7）为非亲和表型，对所述远心端流体单元（6）内的液体添加表面活性剂。

14.根据权利要求13所述的流体驱动控制阀的使用方法，其特征在于：

所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠和/或聚乙二醇辛基苯基醚和/或琼脂糖和/或吐温层和/或多肽。

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