JP5838492B2 - 簡易顕微鏡とそれを用いた暗視野観察法と撮影録画方法 - Google Patents

Description

本発明は斜光照明による暗視野観察が出来る照明装置つき簡易顕微鏡とそれを利用した暗視野観察の方法及びこれを用いたデジタル式カメラによる撮影録画方法に関するものである。

下記の特許文献１は本発明者によるものであるが、本発明はそれの請求項４の改良発明である。前記請求項４は磁力によってレンズ保持部材と試料保持部材とを重ね合わせて使用する物であるが、照明装置が付いていないため暗視野観察は難しかった。
又、下記の特許文献４も本発明者が関係したものである。これはレンズ保持部材と試料保持部材との間隔を可変として焦点調整ができる物であるが、照明装置が付いていないため暗視野観察は難しかった、本発明は、この点を改良するために、前記レンズ保持部材と試料保持部材の他に照明装置を設けたものである

１７世紀オランダのレーベンフック（レーウエンフック）がレンズ１個の単式顕微鏡で細菌を観察した事は紛れもない事実である。しかし、どのような装置で、又いかなる方法で観察したのかは本人が秘密にしたので解らないが、暗視野法で観察したのだろうと思われている（非特許文献１）。
本発明者はこのことを確かめようとしてきたが、ようやく、最近になって暗視野を用いた細菌の観察に成功した、特許性もあるかと思い、調べてみると、下記の特許文献１の図面１の対物レンズが１個なのが目にとまった、しかし角度の異なる照明光を切り替えて照射するのに対して本発明のものは連続して照明光の角度が変化するので明らかに異なるものである。

特許第３８０６８２８号公報 特開平９−１９７２８９号公報 特開２００５−００３９０９号公報（請求項４） 特開２００３−０９８４４０号公報（図３〜図８） 特開２００６−１１９５５７号公報（段落番号０００９〜００１５）

天児和暢著 「レーベンフックの手紙」 九州大学出版会 ２００４年 ３２７ページ

解決したい課題は簡易構成でありながら、１ミクロン程度の菌や微小藻類などが見える明視野観察と暗視野観察とが可能で、尚且つ、小学生でも容易に製作可能な、携帯式の簡易顕微鏡を提供する事である。

本発明は球形のレンズを保持したレンズ保持板と、光透過用の穴を開けて、試料をその外周部分に保持するようにした試料保持板を作り、その試料保持板の裏面に照明装置を永久磁石の磁力によってスライドできる状態で吸着固定させて、前記レンズ保持板の球形レンズと前記試料保持板の試料との距離を調整できるようにして、前記のレンズ保持板と前記の試料保持板を端部の支点を中心に回転できるようにして重ね合わせて結合するか、永久磁石のスペーサーを介して前記の両保持板を貼り合わせるようにして着脱し易くして結合させる。
尚、本文に於ける着脱とは結合している部分を二次元面で回転させて、両方の物体を離すか結合するか、三次元でのＺ方向に両物体を離すとか結合するとかと言う意味である。

こうする事により、前記照明装置を手でスライドさせて光源の位置を変える事ができて試料への照明光の入射角度を連続的に変える事が可能になる。
しかし、この構造だと固定して使うのには問題ないが、携帯用とする時には照明装置が邪魔になってポケットに入れる時や置く時など、照明装置に無理な力が加わり、はずれたりするので、試料保持板の他に、もう１枚のスライド板と呼ぶ板状体を試料保持板の下に設けて、そのスライド板の上に照明装置を磁力で吸着固定して移動できるようにした。

又、照明装置はできるだけコンパクトにするため、電源としてボタン電池を使用する事にしたが、そのために、ボタン電池の電極が磁石に付く性質があるので、スイッチ機構として永久磁石の磁力で電極板を電池電極に密着させて通電して電球の点灯をするようにしてコンパクト化と製造コスト低減を図った。

更に各保持板の間のスペーサーを磁石にしてイベント会場などでの製作の際に工具無しでも組み立てられるようにした。

本発明の顕微鏡の使い方は、始め照明装置をレンズの真下近くに移動させて明視野観察で焦点調整をして、目でレンズを覗きながら指で照明装置を移動させて、レンズから離して行く事で視野外周部から徐々に暗くなっていくので、観察者の目線を外周部に向けて行く事で、簡単に暗視野観察ができるようになる。この時、顕微鏡本体を図２のように傾けながら焦点調整をする事で歪の少ないところでの本顕微鏡での可能範囲内で観察者の望む暗さと解像度での斜光照明による暗視野観察が可能となる。

本発明の簡易顕微鏡の肉眼での観察では１個の球形レンズと少なくとも最低１個の光源と、照明装置の移動と観察者の目線の調整だけで、従来の腹式顕微鏡と同等な分解能での明視野観察も暗視野観察も可能となる。更に１００グラム程度の極めて軽量であるため携帯用として野外でのキノコの胞子やミドリ虫などの藻類などの観察ができて、とても重宝な物である。

更に予想外の、特筆すべき効果は本発明の顕微鏡は高感度のデジタル式カメラを使う事で１ミクロンオーダーの微小な物体を染色もしないのに色の付いた立体的な感じで撮影録画できる事である。
この色付くカラー画像での視認に関しては、前記特許文献５を本出願人は以前に出願していて、この現象をレンズと観察試料との光の干渉現象として捉えていて、球形レンズの直径が
０．２ｍｍ以下（約２３００倍）になると生じる事を記特許文献５の明細書の段落番号「００１５」で説明していたが球形が小さいのでコスト高で量産化ができず市場化していなかった。ところが今回、球形レンズの径が０．２ｍｍ以上でも本発明の顕微鏡と一般に市販されている高感度のイメージセンサー搭載のデジタル式カメラとを用いれば簡単にカラー化できる事が解った。

いろいろ調べてみると微小物体のカラー画像化には球形レンズの倍率と高感度なデジタル式カメラのズーム倍率との積が３０００倍以上、３００００倍以下にする事が良く、球形レンズの倍率は１００倍以上６０００倍以下がカラー化に適した値であり、特に製作の観点から１００倍以上で１０００倍以下が特に良い事が解った、１０００倍以下は球形レンズの直径は屈折率が１．５のとき約０．３ｍｍで屈折率がそれ以上の場合は直径も当然それ以上である。
この数値が解ったことにより、本簡易顕微鏡の応用としての専用の倍率固定の細菌検査専用などの固定焦点型のデジタル式カメラが製作可能になる。
又、観察試料のミクロン代の寸法の確認のためと、本発明の照明光の移動による斜光照明による解像度の具合と、それによるカラー化の変化の具合を見るために、試料載置板（カバーガラスの役目）として透明回折格子の板状体がとても良い事も解った。

この一連の研究結果として、本顕微鏡によるカラー化の動画を「ＹｏｕＴｕｂｅ（登録商標）」上に本顕微鏡とデジタルカメラで撮影した動画をアップロードしてあるので、「佐藤忠男 細菌」、「佐藤忠男 血液」、「無染色細菌などのカラー化」、「細菌２」なるキーワードで御検索して見て頂きたい。

尚、「ＹｏｕＴｕｂｅ」上の動画はソニーの高感度の裏面照射型のイメージセンサーを使用したサイバーショットＤＳＣ−ＷＸ２００（商品名）を本発明の簡易顕微鏡の６００倍の球形レンズに近付けて、レンズ倍率とカメラのズーム倍率との積を３０００〜３００００倍の間で変化させ撮影録画したもので、照明光は「ＯｐｔｏＳｕｐｐｌｙ社製の５ｍｍの白色ＬＥＤ（ＯＳＰＷ５１１１−ＹＺ）を３Ｖ電池で発光させたものであり、この砲弾型LEDを、試料の２ｍｍ下から照射して撮影録画したものである。

試料は食品のキムチの汁と貝殻の風化した粉末を水道水で溶いた物や出願人の血液や、納豆などである、これらの試料を約０．５μｍ幅で深さが０．１μｍの溝を１μｍ間隔で透明プラスチック板に対物ミクロメータとして刻んだ、回折格子を一種のスライドガラスとし、そこに試料を塗付して厚さ０．０４ｍｍの低密度ポリエチレンフィルムをカバーガラスとして被せて、それに本発明の顕微鏡の球形レンズを接近させて、前記カメラの開口部をレンズ保持板につけて、ズームアップして撮影した動画である。血液中で小さな丸く見える血小板などが動いていく様子や桿菌が魚のよう動くのや、球菌や酵母菌とおぼしきものが、溶液中でブラウン運動をしながら、自重で落下している（試料を垂直にして撮影した）。

この動画で解るように、無染色の微小物体のカラー化は光学レンズによる一種の分光分析の画像ともみなせる。従って、球形レンズ（対物レンズ）と試料の距離を固定して、照明光の波長や強度を変化させ、それに対応した画像を解析すれば無染色の微小物体の物性が解り、細菌である場合はグラム陽性細菌か陰性細菌かが面倒な染色液による処理をしないでも分かる可能性がある。
尚、３０００倍以上の倍率であるから分解能以上の細部は見る事はできないが、色付くので、コントラストが良くなり微小物体の動きが良く分かり、拡大倍率が大きくなる事で空間が拡大される一方、時間は拡大されないので、運動性細菌などの速度が極めて速くモニター上で観察でき、その速度や姿で細菌の種類を特定できる可能性もある。運動性の無い細菌でも発育速度がモニター上で速く観察可能に成り、コロニー形成の量的スピードもモニター上で解るので、細菌検査の公定法の補助的役割を果たす事も可能かとも思う。

尚、無染色の微小物体がカラー化するのは、主にレンズの色収差（軸上色収差と倍率色収差）に起因しているので、球形レンズかカメラの両方か或いは片方だけの色収差でも、無染色の微小物体がカラー化する（微小物体そのものがレンズの様な透明で球形をしている場合も色収差は生じる）。
３０００倍から３００００倍程度に分解能を超えて拡大すれば輪郭のボケもあるが、それでもそこに、どう言う感じのものがあるのかが、カラー化する事でコントラストが良くなるため認識できるようになる。従って運動性のある細菌などが運動するとレンズとの距離（焦点方向の距離）によって色の色調（トーン）と色相などが変わる事で３次元的に微小物体の動きと、その物体の柔らかさなどが実感できる。

本発明の簡易顕微鏡は以上のような効果が有り、小学生でも部品さえ揃えてやれば作れるのであるからその価値は教育上、実に好ましいものであると思うし、開発途上国の衛生面での寄与にも期待できる可能性が高い。
又、肉眼での観察では有名メーカの高価な既存の実習用顕微鏡と比べても視野は狭いが分解能の点では劣らないし、視野の狭さはサブ試料板を簡単に移動できるので極めて広い範囲が観察できる。そして軽量であるため寝て暗視野で観察すると宇宙空間を眺めているような錯覚におちいり、安らかな眠りにつく事ができるので、病気で入院している子供たちにプレゼントしたいと思っているくらいである、従来の顕微鏡では重くて寝てなど、とても観察できないので、この点からも本発明は非常に優れた顕微鏡である。

本発明の１実施例の側面略図 斜光照明による暗視野観察方法の説明図 照明装置を消灯した状態の側面略図 照明装置の一例を示す側面図 照明装置の一例を示す側面図 本発明の１実施例の側断面略図

本発明の詳細について、図面を引用して説明する。

図１は本発明の一例を示す側面略図である。レンズ保持板２の平面における略中央部にレンズ装着用の孔を開け、直径約１ｍｍの球形レンズ１を装着し、一方の端部には結合用のビス孔を開ける。試料保持板４の平面における中央部に光透過用の開口部１４を形成し、一方の端部には結合用のビス孔を開ける。スライド板７の一方の端部にも結合用のビス孔を開ける。レンズ保持板２と試料保持板４の間、試料保持板４とスライド板７との間であって、ビス孔部にスペーサーを設け、ビスとナットで結合する。

レンズ保持板と試料保持板の間に設けるスペーサーは、焦点を合わせるために弾力性のあるゴムなどの軟質材が望ましい。試料保持板とスライド板との間に設けるスペーサーは、間隔を一定に保持するため、木材や金属、樹脂などの硬質材が望ましい。ナット１１を回す事で、スペーサー８が伸縮し、レンズと試料の距離を可変とする事で焦点調整が可能である。尚、この試料保持板とスライド板の間に設けるスペーサーは照明装置が移動できる厚さでなければならないが、金属プレス加工によりスライド板をゼット曲げ加工をする事で薄くできるし、場合によっては無くす事も可能である。

照明装置は電球と電池、電極板、板状磁石で構成され、基礎となり底部に配置する板状磁石６の上面であって端部に電球５を取付け、中央部付近に電極板２３を貼り付け、電球の一方の線と電極板２３を接合する。上から貼り合わせる板状磁石２０の底部に電極板２１を貼り付け、電球のもう一方の線と接合する。板状磁石２０と板状磁石６の間に電池を挟むことで、磁力で電極板が電池に密着し電球が点灯する。未使用時は、図３に示すように板状磁石２０を、試料保持板の底面に貼り付けておくことで、電球が消灯する。尚、照明装置は電池を省いて電球と板状磁石だけでも構成できるが、この場合は外部に電池等の電源を用意しなければならないので野外での観察には不便である。

レンズ保持板２、試料保持板４、スライド板７の大きさは、幅約２５ｍｍ×長さ約１００ｍｍ、厚さ約１ｍｍ程度とし、材質は金属が望ましいが、これに限定されるものではなく、試料保持板４、スライド板７には、照明装置の磁石が貼りつくように鉄やＳＵＳ４３０等のステンレスの強磁性体が好ましい。

照明装置の板状磁石２０は、約３０ｍｍの直径である円形又は矩形とし、板状磁石６は、幅約３０ｍｍ、長さ約５０ｍｍ程度とし、スライド板７の幅より大きくすることで、板状磁石が手で掴み易くなり移動による調整が容易となる。
照明装置の電球には、豆電球や有機ＥＬやＬＥＤ電球などが利用でき、電池にはボタン電池が又、電極板には銅などの導電箔が利用できる。

図２は斜光照明による暗視野観察方法の説明のための側面略図で、照明装置３０を球形レンズ１の真下から、レンズから離れるようにスライド板７の上をスライドさせていくと、斜光照明になり移動方向の解像度が上がって行き、さらに動かして行くと試料保持板４の開口部１４のふちにより照明光が遮られて、球形レンズ１に直接光が入らなくすることで、徐々に暗くなり目線を照明装置の電球方向に向けて行くと、試料の像の歪みの少ない所があり、そこで試料の形状の暗視野（照明装置の移動位置によっては明視野と暗視野の中間の像）観察ができる。尚、傾ける方向は試料によっても変わる場合がある。例えば、水中に試料を入れて観察する場合などは、水による光の屈折の影響を受けるためである。観察の際は、顕微鏡本体を動かさない場合、目を動かす必要性が生じ目の疲労を伴う。本顕微鏡は極めて軽量で小型であるため、顕微鏡本体を手で持ち、図２に示すように少し傾けて使用すると観察し易くなる。尚、照明装置をスライド板の上をスライドさせる事は本発明の要でもあるが、これは照明装置の発光体の電球を試料保持板４とスライド板７の間を移動させる事を意図としているので、仮に照明装置の板状磁石６を試料保持板４の裏面をスライドさせたとしても本発明の趣旨としては同じ事であり、フラットで厚さの薄いＬＥＤなどの電球があるので、スライド板７をはぶいて、レンズ保持板と試料保持板と板状磁石に電球だけを設けた物を照明装置として試料保持板の裏面に取り付けても本発明は構成できる。

照明装置の実施例として図４に示すように、電球５のプラス側の線を電極板２１に接続しないで、板状磁石２０には電極板２１だけ貼り付け、絶縁シート４１には電極板４２と電極板４３を貼り付け、電池２２のプラス側に粘着剤等にて着脱可能に軽く貼り付けて、電極板４３を電球のプラスの側に接続する事も出来る。

又、照明装置は図５に示すように、少し弾力性のある薄いＰＰシート等の絶縁シート５１に電極板５２を貼り付けた物を電池２２の電極面より離して板状磁石６に取り付けておき、板状磁石２０を電池２２の電極面側に吸着させたり、離したりして電極板５２が電池電極に接触したり、離れたりする事で照明光の点灯と消灯をさせる事もできる。

図６はレンズ保持板１０２と試料保持板１０４との距離を焦点調整ネジ１１１で可変とした物で、更にスライド板１０７と試料保持板１０４の間に照明装置Ｄを設けたものでＤの底部基板の板状磁石６によって移動と固定が容易になり、斜光照明や暗視野照明が可能になる。尚、この図６では前記照明装置Ｄが移動できるように磁石スペーサー１０９と１１９とで試料保持板間に空間を設けたところを図示してある。

この空間部分を形成する方法としてはスライド板１０７を金属プレス等でハット曲げ加工を施せば磁石スペーサーの厚さを薄くできるし、場合によっては使用しなくても充分な空間を確保する事も可能である。

又、前記レンズ保持板１０２と試料保持板１０４とスライド板１０７のサイズは前記図１のレンズ保持板２と試料保持板４とスライド板７とほぼ同じであるが、試料保持板１０４の両端部にＭ３のネジ用のタップが切ってあり、 固定兼回転軸ネジ１１０、焦点調整ネジ１１１がねじ込まれるようになっている。又、レンズ保持板１０２の左側端部にはネジ貫通用の穴だけが開けてあり、右端部には焦点調整ネジ１１１の先端部が当たる部分を少し凹ませてある。又、スライド板１０７の右端部に焦点調整ネジ１１１の貫通用の穴が開けてある。

焦点調整の仕組みは焦点調整ネジ１１１を右に回すとレンズ保持板１０２が磁石１０８から離れてレンズ１とプレパラート３の間隔が大きくなり、左に回すと逆になる、この時、厚さが約４ｍｍで１辺が２０ｍｍの四辺形あるいは直径が約２０ｍｍの円形で内側の穴が直径約４ｍｍの磁石スペーサー１０８と、厚さ２ｍｍの同形の磁石スペーサー１１８の磁力による吸着力が常に働いている事と、レンズ保持板の焦点調整ネジ１１１（ネジ材質は磁性体が良い）のあたる部分を少し凹ませてある事とネジの磁力によって吸着しているので大きくずれる事はないが、焦点調整ネジ１１１の回転によって磁石スペーサー１０８からレンズ保持板１０２が大きく離れると磁力が弱くなって、水平で観察する場合はそれほど問題にならないが、野外等で垂直にして観察する場合はレンズ保持板１０２が外れてしまう事がある。

そこで、図６のように弾力性のあるゴムや発泡ウレタンなどの軟質材から成るスペーサー１１７と磁石スペーサー１１８とを重ねて用いる。こうする事で、ネジ１１０を締めると、その力が焦点調整ネジ１１１の先端部に加わって、垂直にして観察してもレンズ保持板１０２が外れる事が無くなり、固定兼回転軸ネジ１１０が焦点の微小調整の働きもするようになる。尚、磁石１１８の磁力を強い物にするとスペーサー１１７は必ずしも必要では無くなるが、固定兼回転軸ネジ１１０が焦点の微小調整の役目をしなくなる。

又、図６の固定兼回転軸ネジ１１０は試料保持板１０４にタップが切ってあるネジ穴を通過するがスライド板１０７には達しない長さとする事で、前記スライド板は焦点調整ネジ１１１を軸として回転させて照明装置Ｄやその中のボタン電池などを楽に取り出す事ができるし、レンズ保持板１０２は固定兼回転軸ネジ１１０を軸として回転させて、サブ試料保持板１０３を容易に交換でき、戻すときは磁石スペーサー１０８の磁力と、１０２の凹み部分で、しっかりと吸着固定される。

又、この図６の実施例では厚さ１ｍｍで直径約３０ｍｍの円形の板状磁石に直径約１０ｍｍの中穴を開けたサブ試料保持板１０３を介して試料３を試料保持板１０４に載せる事によって、サブ試料保持板１０３を移動させる事で試料３の観察範囲を広げる事ができる、この方法は実施例１にも適用できる。
尚、この実施例の物のレンズ保持板１０２、試料保持板１０４、スライド板１０７の材質は少なくとも磁石が吸着する部分に関しては強磁性体の鉄やＳＵＳ４３０等のステンレスにする事が望ましい。

本発明の簡易顕微鏡は工業的に大量生産が可能で廉価で提供できるので学校教材用として最適である。
そして、何といっても最大の可能性は外形だけで細部は回折限界のため分からないが、細菌１個の動きを電子顕微鏡並みの大きさで生きたまま観察可能なので、細菌の***や、接合の瞬間を目で直接観察可能になり、細菌の同定などが色により可能に成り、従来の長時間の細菌の公定法での培養法の短時間化の補助的役目が期待できる。

１ 球形レンズ
２ レンズ保持板
３ 試料（試料載置板を図示した）
４ 試料保持板
５ 電球
６ 板状磁石
７ スライド板
８ スペーサー
９ スペーサー
１０ ビス
１１ ナット
１４ 開口部
２０ 板状磁石
２１ 電極板
２２ 電池
２３ 電極板
３０ 照明装置全体
４１ 絶縁シート
４２ 電極板
４３ 電極板
Ａ，Ｂ 人の目
Ｃ 目線の仮想線
Ｄ 照明装置
５１ 絶縁シート
５２ 電極板
１０２ レンズ保持板
１０３ サブ試料保持板
１０４ 試料保持板
１０７ スライド板
１０８ 磁石スペーサー
１０９ 磁石スペーサー
１１０ 固定兼回転軸ネジ
１１１ 焦点調整ネジ
１１７ スペーサー（軟質材）
１１８ 磁石スペーサー
１１９ 磁石スペーサー

Claims (11)

1. 球形のレンズを保持したレンズ保持板と、光透過用の開口部が形成してあって試料を保持するところの試料保持板とを有し、試料保持板裏面に照明装置を磁力によってスライド可能状態で吸着固定し、前記レンズ保持板の球形レンズと前記試料保持板の試料との距離を調整可能な状態で前記レンズ保持板と前記試料保持板とをスペーサーを介して着脱可能状態で結合させた事を特徴とする簡易顕微鏡。
2. 球形のレンズを保持したレンズ保持板と、光透過用の開口部が形成してあって試料を保持するところの試料保持板とスライド板とを有し、前記レンズ保持板の球形レンズと前記試料保持板の試料との距離が調整可能な状態で前記レンズ保持板と前記試料保持板を着脱可能状態でスペーサーを介して結合し、試料保持板とスライド板間には照明装置が移動できる空間を持たせてスペーサーを介して着脱可能状態で結合し、前記照明装置をスライド板上に磁力によってスライド可能状態で吸着固定した事を特徴とする簡易顕微鏡。
3. 照明装置の電球の点灯と消灯を永久磁石の磁力によって電極板を電池の電極に密着させるか、離すかによって行う事を特徴とする請求項１から２いずれか１項に記載の簡易顕微鏡。
4. 前記スペーサーの材質を磁石にした事を特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の簡易顕微鏡。
5. 試料保持板の開口部にサブ試料保持板を設けた事を特徴とする請求項１から４いずれか１項に記載の簡易顕微鏡。
6. 前記サブ試料保持板の開口部に透明な板状の回折格子を試料載置板として設けた事を特徴とする請求項５に記載の簡易顕微鏡。
7. 照明装置をスライドさせて、レンズから離して行き、目線を変える事で、可能な範囲内で観測者の望む暗さで試料を観察できる事を特徴とする請求項１から６いずれか１項に記載の簡易顕微鏡を用いた暗視野観察の方法。
8. 請求項１〜６いずれか１項の簡易顕微鏡を用い、レンズ保持板の球形レンズの部分に高感度なイメージセンサー搭載のデジタル式カメラの開口部を近付けて撮影録画する場合に於いて、前記球形レンズの倍率とカメラのズーム倍率との積を３０００倍以上３００００倍以内にして色収差を利用する事で観察試料の微小物体の拡大画像をカラー画像で視認する事を特徴とする簡易顕微鏡を用いた撮影録画方法。
9. 球形レンズの倍率を１００倍以上１０００倍以内にしたことを特徴とする請求項８記載の簡易顕微鏡を用いた撮影録画方法。
10. 高感度なイメージセンサーが裏面照射型ＣＭＯＳであることを特徴とする請求項８記載の簡易顕微鏡を用いた撮影録画方法。
11. 請求項１〜６いずれか１項の簡易顕微鏡を用い、試料を回折格子に塗付して透過照明光による球形レンズ１個から成る単式顕微鏡でのデジタル式カメラによる撮影録画に於いて、球形レンズの倍率を１００倍以上１０００倍以内にして、前記球形レンズの倍率と前記カメラのズーム倍率の積を３０００倍以上３００００倍以内にして、色収差を利用する事で微小観察物体の拡大画像をカラー画像で視認する事を特徴とする簡易顕微鏡を用いた撮影録画方法。

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