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Stand der Technik
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Messungen im IR Bereich erlauben es eine Vielzahl von Bestimmungen an komplexen Analyten. Fast jede Substanz hat ein spezifischen IR Spektrum, das vor allem im mittleren Infrarot (MIR) Bereich sehr prominent auftritt und deswegen auch als „Fingerabdruck” der Substanz bezeichnet wird. Problematisch ist jedoch dabei dass wässrige Proben mit herkömmlichen MIR Anlagen nur schlecht gemessen werden können, da Wasser das verwendete IR Licht stark absorbiert. Um wässrige Proben zu messen werden deswegen heutzutage entweder ATR-Zellen verwendet oder es wird in einer Flusszelle mit exakt bestimmter und reproduzierbarer Dicke gemessen. Eine solche Flusszelle ist z. B. in der
EP1549982 beschrieben. Die Oberflächen der IR Messkammern in diesen Messgeräten weisen jedoch die Eigenschaft auf Moleküle aus dem Analyt zu binden und viele Messkammern weisen zudem eine geringe Stabilität in wässrigen Medien auf. So werden IR Fenster aus CaF
2 z. B. leicht von Säuren und Chelatoren angegriffen. Jede auch nur minimale Änderung der Messkammer oder der Umgebungsparameter führt zu einer Änderung der Messparameter und muss durch entsprechende wiederkehrende Kalibrierungen ausgeglichen werden. Flüssige Proben sind im MIR Bereich nur in einer Dicke von unter 30 μm, bevorzugt unter 10 μm für das zur Untersuchung verwendete Licht durchlässig.
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Es werden immer möglichst zeitnah zwei Messungen gemacht, Referenz- und Probenmessung, und daraus ein Differenzspektrum erzeugt. Dies geschieht, um z. B. Außeneinflüsse und Geräteparameter herausrechen zu können.
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Zwei Spektren von unterschiedlichen Proben sind nur dann vergleichbar, wenn sich zwischen diesen Messungen nichts geändert hat, was sich auf das Spektrum auswirkt. Je nach Aufbau des Spektrometers und der Optik kann dies die Luftfeuchtigkeit sein oder die Temperatur oder die Schichtdicke der Probe. Um Messungen vergleichbar zu machen müssen deswegen zwischen zwei Messungen Differenzen von weniger als 1/1.000 besser 1/10.000 der Schichtdicke vorliegen. Wenn sich die Schichtdicke der Probenkammer durch den Injektionsdruck der Proben ändert oder z. B. eine Anreicherung durch Anlagerung von Substanzen stattfindet, wird dadurch die Reproduzierbarkeit der Messung und damit die Quantifizierung der Proben erschwert bis unmöglich gemacht.
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Aufgabenstellung
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Der Aufgabe der Erfindung ist die zur Verfügungsstellung eines IR-Prüfmittels, das nicht den oben genannten Problemen unterliegt. Insbesondere darf dieses IR-Prüfmittel nicht durch die Anlagerung von Substanzen in seinem IR-Messverhalten beeinträchtigt werden. Zudem muss das IR-Prüfmittel in der Lage sein, quantitative und vergleichbare Messungen durchzuführen. Insbesondere soll die Messkammer in der Lage sein, nach der Beschichtung und an Einsatzort weitgehend gleiche Messdaten zu liefern. D. h. das IR-Prüfmittel soll nach der Beschichtung weitgehend frei von Drift sein, oder die Drift muss langsam erfolgen und durch eine Qualitätssicherungseinrichtung im Gerät aufzuspüren sein. Das erfindungsgemäße Gerät kann sowohl für IR Messungen im Transmissions-, im Reflektions- als auch im ATR-Verfahren oder für eine Kombination aus allem geeignet sein.
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Lösung
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Dies wird dadurch gewährleistet, dass Teile der Messkammer mit einer extrem dünnen und homogenen Schicht überzogen werden, die Anlagerungen von Fremdsubstanzen an die Oberfläche verhindern bzw. weitgehend verhindern und durch ihre besondere Ausgestaltung, mit der die Probenbefüllung und der Probenaustausch sowie die Reinigung besonders einfach ist. Ein wichtiger Teil der Problemlösung besteht darin, z. B. durch hohe Integration der Bauteile des Prüfmittels die optischen Wege der Strahlung zu minimieren, um Störungen zu vermeiden.
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Eine Messkammer für Transmissionsmessungen, bevorzugt mit einer Schichtdicke von < 30 μm, wird mit mindestens einem MIR transparenten Fenster für den Lichteintritt und einem MIR transparentem Fenster für den Lichtaustritt versehen. Für Reflektionsmessungen, bevorzugt mit einer Schichtdicke von < 15 μm, werden ein MIR transparentes Fenster und ein MIR Spiegel vorgesehen. Eine ATR-Messkammer wird mit dem ATR Wellenleiter versehen. In allen Fällen wird der IR-optisch aktive Bereich mit einer inerten Beschichtung versehen. Diese Beschichtung ist vorzugsweise eine kovalente Monolage aus einer organischen Verbindung. Die Messkammer ist dabei bevorzugt aus einen MIR transparenten Material aufgebaut das mit industriellen Standardverfahren bearbeitet werden kann. Ein solches Material ist beispielsweise Silizium. Die Messkammer selbst kann durch Ätzen, Fräsen oder andere Strukturierungstechniken aufgebaut sein. Dabei müssen die Ein- und Austrittsbereiche des MIR Lichtes auf ihrer Oberfläche poliert sein, d. h. eine Rauhigkeit von weniger als 1 μm, bevorzugt 10 nm RMS, besonders bevorzugt weniger als 1 nm RMS aufweisen.
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In der einfachsten Ausführung wird das IR Prüfmittel mit einer oder mehreren verschiedenen monochromatischen Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlängen betrieben oder die einzelnen Wellenbereiche der Lichtquellen über Prismen in Licht einzelner Wellenlängen aufgeteilt. Die Messung der Absorption des Lichtes kann auf verschiedene Weise erfolgen. Die Abschwächung des Lichtes im Vergleich zur Referenz kann dann durch Messung der Lichtstärke mit einem geeigneten Detektor, z. B. einer Photodiode gemessen werden, in einer bevorzugten Ausführung über ein Array von Photodioden, besonders bevorzugt mit einer oder mehreren Photodioden für jede Wellenlänge im interessanten Wellenlängenbereich. Geeignete Detektoren sind dem Fachmann hinreichend bekannt und werden bereits in bestehenden Geräten verbaut. Geeignete Lichtquellen sind auch hinreichend bekannt und stehen kommerziell zur Verfügung z. B. als Laserdioden. Wird polychromatisches Licht verwendet, so muss dieses zur Messung entsprechend prozessiert werden. Beispielsweise durch ein Interferometer (z. B. aber nicht ausschließlich ein Mach-Zehnder Interferometer) oder durch Aufspaltung einzelner Wellenlängenbereiche mittel eines oder mehrerer Prismen, die im Prüfmittel, bevorzugt in der Messzelle integriert sind.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hat die Messkammer zwei oder mehr Messstellen an Positionen unterschiedlicher Dicke der Messkammer. Dadurch können höher konzentrierte Analyte an den Stellen mit einer geringen Durchleuchtungsdicke (z. B. 10 μm) und andere Analyte an Stellen mit einer hohen Durchleuchtungsdicke (z. B. 30 μm) gemessen werden. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das Licht nach dem Durchgang durch die Messkammer mit Hilfe von optischen Strukturen gebrochen um so auf den Detektoren möglichst monochromatisches Licht zu empfangen. Solche Strukturen können z. B. optische Gitter oder Prismen sein. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind diese Strukturen mit auf den Träger der Messkammer aufgebracht und einer weiteren bevorzugten Ausführungsform monolithisch in diesen integriert. Entsprechende Strukturen lassen sich durch lithographische Methoden z. B. in Silizium realisieren.
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Beschreibung der Erfindung
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Beschichtung: Die Beschichtung der Messkammer umfasst mindestens die Ein- und Austrittsstellen des IR-Lichtes. Handelt es sich um eine ATR Messzelle so muss mindestens der Lichtleitende Bereich der ATR-Messzelle mit der Beschichtung versehen sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist jedoch die gesamte Messkammer mit der Beschichtung versehen. Die Beschichtung der Messkammer interferiert bevorzugt nicht oder nur gering mit der IR Absorption in der Messkammer. Jedoch kann die Beschichtung auch so gewählt sein, dass die Absorption der Beschichtung und die Absorption des gewünschten Analyten zumindest teilweise unterschiedlich sind, so dass die Bestimmung trotz Absorption der Beschichtung möglich ist und eine eventuelle Degradation oder Abnutzung der Schicht erfasst werden kann.
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Die Beschichtung kann durch physikalische oder chemische Interaktion erfolgen. Bevorzugt wird dabei die Beschichtung chemisch (kovalent) aufgebracht. In einer besonders bevorzugten Form als Monolage. Geeignete Verfahren zum Aufbringen von Monolagen oder extrem dünnen homogenen Polylagen sind dem Fachmann hinreichend bekannt und z. B. in der
EP1176422B1 oder der
EP1144677B1 angeführt. Auf der Webseite der Firma Gelest (
www.gelest.com) ist z. B. eine Broschüre mit Verfahrensanleitungen zur Herstellen solcher Beschichtungen erhältlich (Hydrophobicity.pdf). Die Beschichtung kann mit niedermolekularen Substanzen wie z. B. Silanen oder mit polymeren Substanzen erfolgen. Im Fall von Polymeren sind Kopolymere bevorzugt. Erfindungsgemäße Kopolymere enthalten funktionelle Gruppen (z. B. Sulfonsäuren oder Phosphonsäuren) und Gruppen, die inert wirken wie z. B. fluorierte Kohlenwasserstoffgruppen oder Polyethergruppen (z. B. Oligo- oder Polyethylenglykol).
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Ein IR-Prüfmittel im Sinne der Erfindung enthält mindestens einen Sensor, der in der Lage ist, eine Probe (Analyt) mit IR Licht ganz oder teilweise zu durchleuchten um damit die Absorption von IR-Licht in der Probe zu bestimmen. Geeignete Sensoren sind dabei Durchlichtsensoren oder ATR-Sensoren. Während Durchlichtsensoren (Transmissions- und Reflektionssensoren) die Probe mit dem IR-Licht durchstrahlen, kommt es bei den ATR-Sensoren durch die evaneszente Lichtführung zu einem mehrfachen Durchdringen der Probe, wobei die Eindringtiefe von der Wellenlänge und dem Reflexionswinkel abhängig ist. Während bei Transmissions- und Reflektionssensoren die Exaktheit der Schichtdicke absolut notwendig ist, wird die zugängliche Schichtdicke von ATR Sensoren durch die Eindringtiefe des Evaneszenzfeldes bestimmt. D. h. die Dicke der Messkammer ist nicht relevant, sofern die Schichtdicke größer als die Eindringtiefe des Evaneszenzfeldes ist. IR Sensoren zur Durchlichtmessung können z. B. aus Calciumfluorid, Silizium oder anderen IR-transparenten Materialien ganz oder teilweise gefertigt sein. Ein ATR Sensor weist einen Wellenleiter auf, der in der Lage ist IR-Licht über Totalreflektion zu führen. Geeignete Medien für einen ATR Sensor sind z. B. ZnSe, Ge, Thalliumbromoiodid (KRS-5), Si, AMTIR (von engl. amorphous material transmitting infrared radiation, z. B. GeAsSe = AMTIR-1) oder Diamant. Ein ATR Wellenleiter kann z. B. aus einem Siliziumwafer hergestellt werden. Eine besondere Art des ATR Wellenleiters sind Dünnfilmwellenleiter, die aus einer sehr dünnen Schicht auf einem Träger bestehen und die im Extremfall monomodale Wellenleiter darstellen. Mittel Infrarot Licht im Sinne der Erfindung ist Licht mit der Wellenlänge 2 μm bis 50 μm, bevorzugt 3 μm bis 15 μm, besonders bevorzugt 3,3 μm bis 12,5 μm. Ein geeigneter Sensor sollte in diesem Bereich weitgehend durchlässig für das IR Licht sein. Für bestimmte Anwendungen reicht es jedoch aus, wenn der Sensor für die Wellenlängen des Analytes durchlässig ist.
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Auf dem Prüfmittel können neben optischen Einrichtungen wie z. B. Prismen, Gittern oder Linsen (bevorzugt monolithisch integriert) auch elektronische Bauteile wie z. B. Speichermodule oder eine Recheneinheit (ggf. monolithisch) aufgebracht sein. Somit kann z. B. die Kalibrierung in der Messzelle gespeichert werden.
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Beispiele:
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Herstellen einer Messkammer aus Silizium
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Die Messkammer kann durch Standardmethoden der Mikrotechnik und Kombination daraus erfolgen. Zur Erzeugung der Messkammer bieten sich z. B. folgende Verfahren oder deren Kombination an:
- • ätzen, nasschemisch (anisotrop oder isotrop, im Falle von Silizium z. B. KOH, TMAH) oder trockenchemisch (physikalisch) wie z. B. RIE oder auch feinmechanisch. Der Hohlraum der Messkammer kann z. B. durch Bonden mit einem geeigneten Material verschlossen werden, z. B. Silizium mit Glas oder Silizium mit Silizium über eine eutektische Schicht.
- • beide Messkammer-Oberflächen werden über Spacer zusammengefügt, der die Dicke der benötigten Messkammer enthält
- • durch einfügen einer Opferschicht, anschließendes Verbinden und Aufbringen der Spacerschicht, schließlich entfernen („opfern”) der Opferschicht
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Hierbei muss darauf geachtet werden, dass die Oberflächenqualität in außergewöhnlicher Güte vorliegt.
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Reinigen und Aktivieren der Oberfläche
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Die Oberfläche muss vor der Beschichtung und Fetten, Ölen und anderem Belag befreit werden. Dazu wird die Oberfläche wenn möglich mit Piranha (70% konz. Schwefelsäure, 30% konz. Wasserstoffperoxyd) für 10 Minuten inkubiert und anschließend gründlich mit Aqua dest. gewaschen und mit ölfreiem Stickstoff komplett trocken geblasen. Oberflächen die nicht Piranha resistent sind können auch im Plasmaofen oder mit anderen geeigneten Mitteln gereinigt werden.
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Beschichten der Messkammer
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Die einfachste Art eine Oberfläche mit Silanen zu substituieren ist die Beschichtung aus einer ethanolischen Lösung. Hierzu wird eine Lösung bestehend aus 95% Ethanol und 5% Wasser mit Essigsäure auf pH 4,5–5,5 eingestellt. Unter Rühren wird das Silan dann bis zu einer finalen Konzentration von 2% hinzugefügt. Man lässt die Lösung für ca. 5 Minuten inkubieren um Silanolgruppen zu bilden. Die zu beschichtenden Oberflächen werden dann unter vorsichtigem Rühren für ca. 2 Minuten in die Lösung getaucht. Überschüssiges Material wird dann mit Ethanol abgewaschen (2× mit Ethanol spülen). Anschließend wird die Silanschicht bei 110° für 10 Minuten im Ofen verfestigt.
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Die Beschichtung mit Silanen die nicht in Ethanol löslich sind erfolgt in einem geeigneten Lösungsmittel wie z. B. Toluol oder aus der Gasphase.
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Definitionen:
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IR Prüfmittel: Gerät zur Messung der IR Absorption einer Probe, die gasförmig oder fest vorliegen kann, bevorzugt jedoch flüssig ist. Jegliche Art der Anregung eines Moleküls durch Aufnahme von Photonen im Wellenlängenbereich von NIR oder MIR kann gemessen werden. Der IR Absorption in der Probe kann eine spätere Strahlungsabgabe in Form von Lumineszenz folgen.
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Messkammer: die Messkammer ist fester oder demontierbarer Bestandteil des IR Prüfmittels. Die Messkammer kann, muss aber nicht austauschbar sein, und sie kann, muss aber nicht wieder verwendbar sein. Sie kann, muss aber nicht Teile der Optik oder gesamte Optik integriert haben. Fall die Messkammer wieder verwendbar ist, dann ist die Besonderheit der Ausgestaltung der Messkammer, dass eine Reinigung mit einem einfachen Geräte- oder Nutzereingriff erfolgt, z. B. nach folgendem Muster:
- • einfaches Aussaugen der Probe, z. B. durch Aufsaugen durch ein Gewebe oder einen Unterdruck
- • Herausspülen durch Überdruck oder eine Spülflüssigkeit bzw. in Kombination
- • Rotation bzw. Zentrifugation oder Herausschütteln der Probe (Anwendung von Fliehkräften)
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Probenaufgabe: die Probenaufgabe und ggf. falls erforderlich Mischung erfolgt durch Kapillarkraft und ggf. Diffusion wie in Patent „Kapillarkraftmischer” von R. Seidel beschrieben (
EU 00 974 506.8-2113 ,
DE 100 02 500 A1 ) oder durch einfache Injektion, z. B. durch eine Pipette oder sonstiges Druckgefäß.
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Schichtdicke der Probe: hier ist bei einer Transmissions- oder Reflektionsmessung die Schichtdicke in der Messkammer gemeint, durch welche die Messung stattfindet. Nach Stand der Technik darf die Schichtdicke sich zwischen 2 Messungen nicht mehr als 1 nm variieren.
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Transmissionsverfahren: bei Transmissionsverfahren erfolgt die Messung im Durchlichtprinzip, d. h. das Licht wird von einer Seite in die Messkammer eingestrahlt und verlässt die Messzelle auf der gegenüberliegenden Seite wieder.
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Reflektionsverfahren: bei Reflektionsverfahren wird das Licht von einer Seite in die Messzelle eingestrahlt und auf der gegenüberliegenden Seite reflektiert, so dass es ein weiteres Mal durch die Probe geführt wird. Im einfachsten Fall sind Einfallseite und Spiegel parallel, müssen es aber nicht sein.
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Kalibrierung: eine separat (ohne Gerät) durchgeführte Kalibrierung bei Fertigung oder vor Überlassen des Prüfmittels an den Käufer durch Hersteller oder Service. Im Gerät erfolgt eine Anpassung der Kalibrierung an gerätespezifische Parameter, ggf. rein rechnerisch.
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weitgehend frei von Drift: weitgehend frei von Drift im Sinne der Erfindung bedeutet, dass der Sensor z. B. mit dem Referenzlösungsmittel Wasser innerhalb zweier aufeinander folgender Messungen, die nicht länger als 1 Monate auseinander liegen 95,0%, bevorzugt 99%, besonders bevorzugt über 99,5% identische Messwerte liefert.
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kovalent: kovalent gebunden bedeutet, dass die Bindung der Beschichtung zur Oberfläche des Sensors mittels chemischer Bindungen erfolgt. Ein Beispiel für eine solche Bindung ist die Si-O Bindung.
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homogene Schicht: eine homogene Schicht im Sinne der Erfindung weist eine durchgehend gleiche chemische Struktur auf und variiert in der Dicke weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5%.
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inert: eine inerte Oberflächenmodifikation im Sinne der Erfindung ist eine Beschichtung die die Anlagerung von Analytbestandteilen an der Oberfläche des beschichteten Gegenstandes verhindert. Eine inerte Beschichtung kann durch chemische Bindung (kovalent) oder durch physikalische Bindung (Absorption, Physisorption) aufgebracht werden. Ein Beispiel für eine inerte Beschichtung im Sinne der Erfindung ist die Aufbringung von fluorierten Alkysilanen (z. B. Tridecafluorotetrahydrooctyltrichlorosilane) oder die Aufbringung einer Polymerbeschichtung eines fluorierten Polymers. Weitere geeignet Verbindungen zum Aufbau extrem hydrophober und inerter Oberflächen sind Organophosphonate, insbesondere fluorierte Organophosphonate z. B. 1H,1H',2H,2H'-Perfluorodecyl-1-phosphonic acid. Auch Polyether funktionalisierte Silane sind in der Lage die Absorption von Proteinen und anderen Verbindungen aus einem Analyt zu verhindern und zählen deswegen zu den interten Verbindungen im Sinne der Erfindung ein Beispiel dafür ist 2-[Methoxy(Polyethylenoxy)propyl]-trichlorsilan. Für besonders stabile Beschichtungen können auch spezielle Silane mit zwei oberflächenreaktiven Silangruppen pro Molekül verwendet werden, die wie z. B. Bis(triethoxysilyl)ethan. Eine weitere erfindungsgemäße Oberflächenmodifikation ist die Veränderung der Oberfläche der Messzelle durch Dotieren, Nanostrukturieren oder andere Prozesse, die in die Chemie oder Struktur der Oberfläche eingreifen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1549982 [0001]
- EP 1176422 B1 [0010]
- EP 1144677 B1 [0010]
- EU 00974506 [0020]
- DE 10002500 A1 [0020]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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