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聚合物PDMS片表面特性的AFM和XPS初步研究

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2024年6月5日发(作者:范姜雨彤)

维普资讯

新技术应用 

聚合物PDMS片表面特性的AFM和XPS初步研究 

黄道君尤学一 

(天津大学环境学院天津300072) 

摘要本文用原子力显微镜(AFM),研究常用固化模具材料玻璃、有机玻璃(PMMA) 

和塑料制作的PDMS盖片的表面特性。并用XPS分析PDMS表面的化学组成,表明在优 

化的PDMS芯片制作条件下,PDMS芯片的自粘粘合力取决于盖片的表面粗糙度。 

关键词 聚二甲基硅氧烷 固化模具 自粘粘合力 原子力显微镜X射线光电子谱 

随着微型全分析系统的发展…,对微流控分析芯 

研究进行不同固化模具对芯片的自粘粘合力的 

片的加工方法和材料的选择要求也越来越高。高分 

影响和不同模具制作的PDMS芯片的表面微观形貌 

子材料具有种类多、可供选择的余地大、加工成型方 

(AFM)和表面成分分析(XPS)的实验。芯片制作 

便、价格便宜等优点,非常适合于大批量制作一次性 

时,采用在同一固化温度和固化时间条件下,按相同 

微流控芯片。用于制作微流控分析芯片的高分子聚 

质量配比,在相同模具制作的PDMS片的自粘,自粘 

合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)也称硅酮弹性体(sili— 后再继续加热1h后,放置48h后,测定两片PDMS 

cone elastomer)或硅橡胶,它具有能可逆和重复变形 

的自粘粘合力。自粘粘合力的实验数据是由平行的 

而不发生永久I陛_破坏,能用模塑法高保真地复制微流 

三组实验结果平均得出。 

控芯片,能透过300nm以上的紫外线和可见光,耐用 1.2.1 PDMS芯片的制作及自粘粘合力实验将 

且有一定的化学惰性、无毒廉价等特点,已广泛地应 PDMS预聚体与固化剂按质量比为10:1混合均匀, 

用于制备微流控分析芯片。在用PDMS制作分析芯 在真空干燥箱中(0.1MPa)脱气110min后,分别浇注 

片时,一般都采用PDMS芯片的自粘来完成PDMS芯 在有机玻璃模具、塑料模具和玻璃模具上形成与实 

片的封接,由于弹性体 .3 的粘合受到许多相互依存 

验测定数目大小相同的液层,在温度65 ̄C下按预定 

因素的控制,所以完成PDMS芯片的高质量的封接一 

的固化时间范围内(见表1),迅:瞳取出将同模具制 

直是芯片制作过程中首要解决的问题。 

作的PDMS芯片的下表面封接并继续加热1h后,放 

本文利用x射线光电子谱(XPS)和原子力显 置48h后,利用T型剥离法测定两片PDMS的自粘 

微镜(AFM)¨j 来分析PDMS芯片表面的特性,找 

粘合力。 

到不同材料模具制作PDMS芯片产生不同自粘粘合 1.2.2 PDMS芯片表面形貌及测量 将在温度 

力的原因 

65℃下,按相同质量比、同一固化时间,在不同模具 

1实验部分 

中制作的PDMS片进行表面形貌和表面粗糙度的 

AFM扫描,AFM在大气环境中工作,为接触模式,扫 

1.1仪器和试剂 

描频率为1Hz,扫描区域为51xm:《5 m。 

仪器:原子力显微镜(Atomic force microscopy); 

1.2.3不同固化模具形成的PI)MS芯片表面成分 

x射线光电子谱仪(PHI一1600ESCA系统); 

分析(XPS) 用XPS分析不同模具制作的PDMS芯 

CSS44001型电子万能试验机(精度0.01~0.02N, 

片表面成分,XPS能谱仪为PHI一】1600EscA系统。x 

位移速度2mm/min);DZG型电热真空干燥箱。 

射线源采用Mg ka射线(1253.6eV),功率为250W, 

固化模具:有机玻璃(PMMA)模具(6.2cm× 通能为29.35eV,本底真空度优于2×10 Pa。 

3.3cm×0.5cm);塑料模具(6.2cm×3.3cm× 

0.5cm);玻璃模具(6.2cm×3.3cm x0.5cm)。 

2实验结果 

试剂:Sylgard184型PDMS预聚体及固化剂 

2.1不同固化模具对PDMS芯片自粘粘合力的影响 

(Dow Coming Corp.,USA)。 

利用不同材料固化模具制做PDMS芯片基片和 

1.2实验操作 

同条件下制作的盖片对自粘粘合力的影响(见表 

基金项目:国家自然科学基金(批准号:20376053,20676093)资助。 

维普资讯

现代仪器(WWW.moderninstrs.org.cn) 

1)。从结果看出,对相同固化时间、相同配比,利用 

不同材料固化模具制做PDMS的基片和盖片,自粘 

下,利用有机玻璃模具制做的PDMS芯片的自粘粘 

合力均大于利用塑料模具和玻璃模具制做的PDMS 

芯片的自粘粘合力。 

粘合力的变化趋势虽呈现一致性,但在相同的条件 

表1 相同固化温度、相同配比、三种模具制作的PDMS芯片的自粘粘合力比较 

2.2 AFM对PDMS表面形貌的分析结果 

图1为三种模具制作的PDMS芯片表面的三维 

AFM形貌图,此图各项均为多次不同区域观测具有 

关,而只是与表面下产生的光电子能以其初始动能 

离开固体表面并被检测到的几率有关。从表3,图2 

不同材料模具制作的PDMS芯片表面XPS图谱来 

看,不同模具制作的PDMS芯片的表面成分几乎一 

样,与标准的PDMS的原子个数比也是一致的,且在 

代表性的结果。表2列出与三维图同一扫描面的三 

种模具制作的PDMS芯片的表面粗糙度。结果显示 

用PMMA模具制作的PDMS芯片的表面粗糙度明 

显小于其它芯片。塑料模具制作的PDMS芯片表面 

的均方根粗糙度小于玻璃模具制作的PDMS芯片。 

表2不同材料模具制作PDMS芯片的表面粗糙度 

Rms(Rq)/nm Ra/nm 

相应的XPS能谱中看不到新功能团的谱峰,因此可 

以推断:在PDMS芯片制作温度65℃时,不同材料 

模具表面没有同PDMS的预聚体发生任何化学和物 

理吸附。 

表3 不同模具制作的PDMS芯片的表面成分 

注 Rms(Rq):RootMean Square Roughness,均方根粗糙度;Ra: 

Roughness Average,平均粗糙度均为同一扫描面的二维图的结 

果。测量精度一样 

j 

(a) 

j 

成分分析结果 

(C) 

… 一 

结台熊

(・v) 

、 

一(c】 

 。

图1不同模具制作的PDMS片的AFM图 

(a)PMMA模具制作的PDMS片的三维形貌;(b)塑料模具制作的 

PDMS片的三维形貌;(c)玻璃模具制作的PDMS片的三维形貌。 

图2不同模具制作的PDMS片表面的XPS图谱 

(a)PMMA模具制作的PDMS片表面XPS图谱;(b)塑料模具制作的 

2.3 XPS对不同模具制作的PDMS芯片的表面 

XPS采用的软x射线能穿透材料PDMS数微 

米。所以,XPS表面灵敏度与x射线穿透深度无 

24 

PDMS片表面XPS图谱;(c)玻璃模具制作的PDMS片表面XPS图谱。 

3结论 

般来说,固体之间粘合作用起因于表面力的 

维普资讯

新技术应用 

相互作用,但是测得的自粘粘合力大小常常决定于 

参考文献 

其它因素。主要影响因素为弹性体的本体粘弹性 

1方肇伦等编著.微流控分析芯片[M],:北京:科学出版社,2OO3 

质、环境以及表面形貌等。研究发现用不同材料模 

2黄玉东编著.聚合物表面与界面技术[M],北京:化学工 

具制作PDMS芯片,可得到自粘粘合力相差数倍的 

业出版社,2003 

芯片。本文利用XPS和AFM测试研究产生上述现象 

3[英]D.布里格斯著.聚合物表面分析[M],北京:化学工 

的原因。利用XPS技术对PDMS表面进行分析,在优 

业出版社,2001 

化的PDMS芯片制作条件下,PDMS表面上没有发现 

4李生英等.原子力显微镜在聚合物研究中的应用[J],现 

代仪器,2005,(5):l1—14 

元素的化学和物理吸附。从而推断,PDMS芯片自粘 

5陈英飞,章海军。张东仙.原子力显微镜在纳米粗糙度测 

粘合力取决于盖片表面粗糙度,即粗糙度越小自粘粘 

量中的应用[J],光学仪器,2003,25(4):25—29 

合力越大,粗糙度越大的自粘粘合力越小。 

AFM and XPS study of surface pro rties of PDMS plate 

Huang Daojun You Xueyi 

(School of Environmental Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin,300072,China) 

Abstract The Polydimethylsiloxane(PDMS)is widely 

applied in the casting of microfluidic chips.Under the 

same conditions,the bonding intensity of chips is greatly affected by the material of curing mould.For understand— 

ing the reason of this phenomenon,the surface properties 

of cover PDMS plate casted by three moulds made of COB- 

monly used materials glass,PMMA and plastic are studied by the AFM and XPS measurement.The results of AFM 

show the surface roughhess of cover plate casted by PMMA mould is obviously smaller than other chips.that casted 

by plastic mould is in the middle,and that casted by glass mould is the largest.On the other hand.the analysis of 

XPS spectrum indicates that there is no chemisorption and physisorption on the surface of PDMS cover plate during 

casting by three moulds under the optimal making conditions.Therefore.it is concluded that the surface roughness 

of PDMS plates is the most effective factors on the bond intensity of PDMS chips. 

Key words Polydimethylsiloxane(PDMS) Casted mould Adhesive strength 

Atomic force microscopy(AFM)X.ray photoelectron spectroscopy(XPS) 

(下接第32页) 

3 Hall A Rho GTPases and the actin cytoskeleton.Science. 

的结果,可以推测虽然抗Ropl Ps抗体不识别百合的 

1998,279:509~514 

小分子GTP酶,但是百合花粉中的小分子GTP调控 

4 Heping Zhao and Haiyun Ren.Ropl Ps Promote Dynamics of 

系统却可以接收到Rop1Ps的调节信号。也就是说, 

Actin Cytoskeleton and Control the Tip Growth of Lily P en 

可以推测单子叶植物的 

小分子GTP酶调控系统可 

Tube.Sexual Plant Reproduction,2006,19(2):83~91 

以识别双子叶的小分子 

GTP酶。对此,尚需要有进 

5 Yang,Z.and Watson,J.C.,1993,Molecular cloning and 

characteriztion of rho.a ras—related small GTP—binding pro— 

步的实验加以证实。 

tein from the garden pea.Proc.Nat1.Acad.Sci.USA,90: 

参考文献 

8732~8736 

1赵和平,黄凌云,何大澄.显微录像系统及光钳显微操作 

6 Lin,Y.And Yang,Z.Inhibition of pollen tube elongation 

技术在马达蛋白体外运动研究中的应用,现代仪器, 

by microinjected anti—Ropl Ps antibodies suggests a crucila 

2005,56(1):1~4 

role for Rho—type GTPases in the control of tip growth.The 

2 Fu Y。Wu G.Yang Z.Rop GTPase—dependent dynamics of 

PIant cell,l997。9:l647—1659 

tip-localized F-actin controls tip growth in pollen tubes.J 

Cell Biol,2001,152:1019~1032 

The analysis of the effect of anti-Ropl Ps antibody on the growth of 

pollen tube by microinjection and micro-video recorder system 

Hao Jiajie Zhao Heping 

(The College of Life Science,Beijing Normal University,Beijing 10087.';) 

Abstract A simple device was employed to study the effect of anti.Ropl Ps antibody on the growth of pollen tube

. 

W油the device,pollen could be observed continually under micro。video recorder system for several hours

hTe so- 

lution of anti—Ropl Ps antibody was injected into pollen grain by micro-injector under a microscope.and the growth 

of pollen tube was monitored by a micro-recorder system.It was found that anti—Ropl Ps had no obvious inhibiting 

effect on the growth of pollen tube.The result indicates that the sturcture of Rop of dicotyledonous plant could be 

different from monocotyledonous. 

Key words Small molecular GTPase Rop Pollen 

25 

2024年6月5日发(作者:范姜雨彤)

维普资讯

新技术应用 

聚合物PDMS片表面特性的AFM和XPS初步研究 

黄道君尤学一 

(天津大学环境学院天津300072) 

摘要本文用原子力显微镜(AFM),研究常用固化模具材料玻璃、有机玻璃(PMMA) 

和塑料制作的PDMS盖片的表面特性。并用XPS分析PDMS表面的化学组成,表明在优 

化的PDMS芯片制作条件下,PDMS芯片的自粘粘合力取决于盖片的表面粗糙度。 

关键词 聚二甲基硅氧烷 固化模具 自粘粘合力 原子力显微镜X射线光电子谱 

随着微型全分析系统的发展…,对微流控分析芯 

研究进行不同固化模具对芯片的自粘粘合力的 

片的加工方法和材料的选择要求也越来越高。高分 

影响和不同模具制作的PDMS芯片的表面微观形貌 

子材料具有种类多、可供选择的余地大、加工成型方 

(AFM)和表面成分分析(XPS)的实验。芯片制作 

便、价格便宜等优点,非常适合于大批量制作一次性 

时,采用在同一固化温度和固化时间条件下,按相同 

微流控芯片。用于制作微流控分析芯片的高分子聚 

质量配比,在相同模具制作的PDMS片的自粘,自粘 

合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)也称硅酮弹性体(sili— 后再继续加热1h后,放置48h后,测定两片PDMS 

cone elastomer)或硅橡胶,它具有能可逆和重复变形 

的自粘粘合力。自粘粘合力的实验数据是由平行的 

而不发生永久I陛_破坏,能用模塑法高保真地复制微流 

三组实验结果平均得出。 

控芯片,能透过300nm以上的紫外线和可见光,耐用 1.2.1 PDMS芯片的制作及自粘粘合力实验将 

且有一定的化学惰性、无毒廉价等特点,已广泛地应 PDMS预聚体与固化剂按质量比为10:1混合均匀, 

用于制备微流控分析芯片。在用PDMS制作分析芯 在真空干燥箱中(0.1MPa)脱气110min后,分别浇注 

片时,一般都采用PDMS芯片的自粘来完成PDMS芯 在有机玻璃模具、塑料模具和玻璃模具上形成与实 

片的封接,由于弹性体 .3 的粘合受到许多相互依存 

验测定数目大小相同的液层,在温度65 ̄C下按预定 

因素的控制,所以完成PDMS芯片的高质量的封接一 

的固化时间范围内(见表1),迅:瞳取出将同模具制 

直是芯片制作过程中首要解决的问题。 

作的PDMS芯片的下表面封接并继续加热1h后,放 

本文利用x射线光电子谱(XPS)和原子力显 置48h后,利用T型剥离法测定两片PDMS的自粘 

微镜(AFM)¨j 来分析PDMS芯片表面的特性,找 

粘合力。 

到不同材料模具制作PDMS芯片产生不同自粘粘合 1.2.2 PDMS芯片表面形貌及测量 将在温度 

力的原因 

65℃下,按相同质量比、同一固化时间,在不同模具 

1实验部分 

中制作的PDMS片进行表面形貌和表面粗糙度的 

AFM扫描,AFM在大气环境中工作,为接触模式,扫 

1.1仪器和试剂 

描频率为1Hz,扫描区域为51xm:《5 m。 

仪器:原子力显微镜(Atomic force microscopy); 

1.2.3不同固化模具形成的PI)MS芯片表面成分 

x射线光电子谱仪(PHI一1600ESCA系统); 

分析(XPS) 用XPS分析不同模具制作的PDMS芯 

CSS44001型电子万能试验机(精度0.01~0.02N, 

片表面成分,XPS能谱仪为PHI一】1600EscA系统。x 

位移速度2mm/min);DZG型电热真空干燥箱。 

射线源采用Mg ka射线(1253.6eV),功率为250W, 

固化模具:有机玻璃(PMMA)模具(6.2cm× 通能为29.35eV,本底真空度优于2×10 Pa。 

3.3cm×0.5cm);塑料模具(6.2cm×3.3cm× 

0.5cm);玻璃模具(6.2cm×3.3cm x0.5cm)。 

2实验结果 

试剂:Sylgard184型PDMS预聚体及固化剂 

2.1不同固化模具对PDMS芯片自粘粘合力的影响 

(Dow Coming Corp.,USA)。 

利用不同材料固化模具制做PDMS芯片基片和 

1.2实验操作 

同条件下制作的盖片对自粘粘合力的影响(见表 

基金项目:国家自然科学基金(批准号:20376053,20676093)资助。 

维普资讯

现代仪器(WWW.moderninstrs.org.cn) 

1)。从结果看出,对相同固化时间、相同配比,利用 

不同材料固化模具制做PDMS的基片和盖片,自粘 

下,利用有机玻璃模具制做的PDMS芯片的自粘粘 

合力均大于利用塑料模具和玻璃模具制做的PDMS 

芯片的自粘粘合力。 

粘合力的变化趋势虽呈现一致性,但在相同的条件 

表1 相同固化温度、相同配比、三种模具制作的PDMS芯片的自粘粘合力比较 

2.2 AFM对PDMS表面形貌的分析结果 

图1为三种模具制作的PDMS芯片表面的三维 

AFM形貌图,此图各项均为多次不同区域观测具有 

关,而只是与表面下产生的光电子能以其初始动能 

离开固体表面并被检测到的几率有关。从表3,图2 

不同材料模具制作的PDMS芯片表面XPS图谱来 

看,不同模具制作的PDMS芯片的表面成分几乎一 

样,与标准的PDMS的原子个数比也是一致的,且在 

代表性的结果。表2列出与三维图同一扫描面的三 

种模具制作的PDMS芯片的表面粗糙度。结果显示 

用PMMA模具制作的PDMS芯片的表面粗糙度明 

显小于其它芯片。塑料模具制作的PDMS芯片表面 

的均方根粗糙度小于玻璃模具制作的PDMS芯片。 

表2不同材料模具制作PDMS芯片的表面粗糙度 

Rms(Rq)/nm Ra/nm 

相应的XPS能谱中看不到新功能团的谱峰,因此可 

以推断:在PDMS芯片制作温度65℃时,不同材料 

模具表面没有同PDMS的预聚体发生任何化学和物 

理吸附。 

表3 不同模具制作的PDMS芯片的表面成分 

注 Rms(Rq):RootMean Square Roughness,均方根粗糙度;Ra: 

Roughness Average,平均粗糙度均为同一扫描面的二维图的结 

果。测量精度一样 

j 

(a) 

j 

成分分析结果 

(C) 

… 一 

结台熊

(・v) 

、 

一(c】 

 。

图1不同模具制作的PDMS片的AFM图 

(a)PMMA模具制作的PDMS片的三维形貌;(b)塑料模具制作的 

PDMS片的三维形貌;(c)玻璃模具制作的PDMS片的三维形貌。 

图2不同模具制作的PDMS片表面的XPS图谱 

(a)PMMA模具制作的PDMS片表面XPS图谱;(b)塑料模具制作的 

2.3 XPS对不同模具制作的PDMS芯片的表面 

XPS采用的软x射线能穿透材料PDMS数微 

米。所以,XPS表面灵敏度与x射线穿透深度无 

24 

PDMS片表面XPS图谱;(c)玻璃模具制作的PDMS片表面XPS图谱。 

3结论 

般来说,固体之间粘合作用起因于表面力的 

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新技术应用 

相互作用,但是测得的自粘粘合力大小常常决定于 

参考文献 

其它因素。主要影响因素为弹性体的本体粘弹性 

1方肇伦等编著.微流控分析芯片[M],:北京:科学出版社,2OO3 

质、环境以及表面形貌等。研究发现用不同材料模 

2黄玉东编著.聚合物表面与界面技术[M],北京:化学工 

具制作PDMS芯片,可得到自粘粘合力相差数倍的 

业出版社,2003 

芯片。本文利用XPS和AFM测试研究产生上述现象 

3[英]D.布里格斯著.聚合物表面分析[M],北京:化学工 

的原因。利用XPS技术对PDMS表面进行分析,在优 

业出版社,2001 

化的PDMS芯片制作条件下,PDMS表面上没有发现 

4李生英等.原子力显微镜在聚合物研究中的应用[J],现 

代仪器,2005,(5):l1—14 

元素的化学和物理吸附。从而推断,PDMS芯片自粘 

5陈英飞,章海军。张东仙.原子力显微镜在纳米粗糙度测 

粘合力取决于盖片表面粗糙度,即粗糙度越小自粘粘 

量中的应用[J],光学仪器,2003,25(4):25—29 

合力越大,粗糙度越大的自粘粘合力越小。 

AFM and XPS study of surface pro rties of PDMS plate 

Huang Daojun You Xueyi 

(School of Environmental Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin,300072,China) 

Abstract The Polydimethylsiloxane(PDMS)is widely 

applied in the casting of microfluidic chips.Under the 

same conditions,the bonding intensity of chips is greatly affected by the material of curing mould.For understand— 

ing the reason of this phenomenon,the surface properties 

of cover PDMS plate casted by three moulds made of COB- 

monly used materials glass,PMMA and plastic are studied by the AFM and XPS measurement.The results of AFM 

show the surface roughhess of cover plate casted by PMMA mould is obviously smaller than other chips.that casted 

by plastic mould is in the middle,and that casted by glass mould is the largest.On the other hand.the analysis of 

XPS spectrum indicates that there is no chemisorption and physisorption on the surface of PDMS cover plate during 

casting by three moulds under the optimal making conditions.Therefore.it is concluded that the surface roughness 

of PDMS plates is the most effective factors on the bond intensity of PDMS chips. 

Key words Polydimethylsiloxane(PDMS) Casted mould Adhesive strength 

Atomic force microscopy(AFM)X.ray photoelectron spectroscopy(XPS) 

(下接第32页) 

3 Hall A Rho GTPases and the actin cytoskeleton.Science. 

的结果,可以推测虽然抗Ropl Ps抗体不识别百合的 

1998,279:509~514 

小分子GTP酶,但是百合花粉中的小分子GTP调控 

4 Heping Zhao and Haiyun Ren.Ropl Ps Promote Dynamics of 

系统却可以接收到Rop1Ps的调节信号。也就是说, 

Actin Cytoskeleton and Control the Tip Growth of Lily P en 

可以推测单子叶植物的 

小分子GTP酶调控系统可 

Tube.Sexual Plant Reproduction,2006,19(2):83~91 

以识别双子叶的小分子 

GTP酶。对此,尚需要有进 

5 Yang,Z.and Watson,J.C.,1993,Molecular cloning and 

characteriztion of rho.a ras—related small GTP—binding pro— 

步的实验加以证实。 

tein from the garden pea.Proc.Nat1.Acad.Sci.USA,90: 

参考文献 

8732~8736 

1赵和平,黄凌云,何大澄.显微录像系统及光钳显微操作 

6 Lin,Y.And Yang,Z.Inhibition of pollen tube elongation 

技术在马达蛋白体外运动研究中的应用,现代仪器, 

by microinjected anti—Ropl Ps antibodies suggests a crucila 

2005,56(1):1~4 

role for Rho—type GTPases in the control of tip growth.The 

2 Fu Y。Wu G.Yang Z.Rop GTPase—dependent dynamics of 

PIant cell,l997。9:l647—1659 

tip-localized F-actin controls tip growth in pollen tubes.J 

Cell Biol,2001,152:1019~1032 

The analysis of the effect of anti-Ropl Ps antibody on the growth of 

pollen tube by microinjection and micro-video recorder system 

Hao Jiajie Zhao Heping 

(The College of Life Science,Beijing Normal University,Beijing 10087.';) 

Abstract A simple device was employed to study the effect of anti.Ropl Ps antibody on the growth of pollen tube

. 

W油the device,pollen could be observed continually under micro。video recorder system for several hours

hTe so- 

lution of anti—Ropl Ps antibody was injected into pollen grain by micro-injector under a microscope.and the growth 

of pollen tube was monitored by a micro-recorder system.It was found that anti—Ropl Ps had no obvious inhibiting 

effect on the growth of pollen tube.The result indicates that the sturcture of Rop of dicotyledonous plant could be 

different from monocotyledonous. 

Key words Small molecular GTPase Rop Pollen 

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