KR101706732B1 - 바이오 감지 장치 - Google Patents

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KR101706732B1
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gate electrode
electrode
sensing
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안세영
권현화
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주식회사 엔디디
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Abstract

본 발명은 서로 이격되어 배치된 소스 전극 및 드레인 전극; 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널인 감지막; 및 감지막과 이격되어 배치된 게이트 전극; 을 구비하는 단위셀이 어레이 배열되되, 상기 게이트 전극은 서로 상하로 이격되어 배치된 상부 게이트 전극 및 하부 게이트 전극으로 이루어진, 바이오 감지 장치를 제공한다.

Description

바이오 감지 장치{Bio-sensing device}
본 발명은 바이오 감지 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극 구조를 가지는 바이오 감지 장치에 관한 것이다.
질병 진단에 사용되는 검사 방법은 주로 효소 반응에 의한 발색, 형광 등에 기반을 두고 있으나, 최근 항원과 항체 사이의 면역 반응을 이용한 면역검사를 이용하는 방법도 사용되고 있다. 기존의 면역분석법은 효소의 촉매 반응에 광 표지를 결합한 광학적 측정 방법이 가장 많이 이용되었다. 이러한 방법들은 주로 실험실 위주의 숙련된 연구원에 의해 수행될 수 있는 복잡한 절차가 필요하고, 분석을 위한 장치가 고가의 대형 장치이며, 분석 시간이 오래 소요되는 단점이 있다.
관련 선행기술로는 대한민국 특허공개번호 KR20110116461A호(2011.10.26. 공개, 발명의 명칭: 면역분석 진단 장치 및 이를 이용한 면역분석 방법)가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 분석 시간을 단축시킬 수 있으며 비용이 상대적으로 낮은 바이오 감지 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 바이오 감지 장치가 제공된다. 상기 바이오 감지 장치는 서로 이격되어 배치된 소스 전극 및 드레인 전극; 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널인 감지막; 및 감지막과 이격되어 배치된 게이트 전극; 을 구비하는 단위셀이 어레이 배열되어 구성된다. 나아가, 상기 게이트 전극은 서로 상하로 이격되어 배치된 상부 게이트 전극 및 하부 게이트 전극으로 이루어진다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 상부 게이트 전극 및 하부 게이트 전극은 나란하게 신장하지 않고 서로 교차되는 방향으로 신장하도록 배치될 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 어레이 배열된 단위셀 상호간의 크로스톡을 방지하기 위하여, 상기 상부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압의 일부만 인가되며, 상기 하부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 상기 게이트 전압의 나머지 일부만 인가될 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 어레이 배열된 단위셀 상호간의 크로스톡을 방지하기 위하여, 상기 상부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압의 절반만 인가되며, 상기 하부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 상기 게이트 전압의 나머지 절반만 인가될 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 감지막의 재질은 탄소나노튜브, 그래핀, 이황화 몰리브덴 또는 포스포린을 포함할 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 탄소나노튜브, 그래핀, 이황화 몰리브덴 또는 포스포린과 접합되는 소스 전극 또는 드레인 전극의 일부는 콤(comb) 형상을 가질 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 단위셀은, 감지막 상에 부착되되 표적 물질과 결합할 수 있는 리셉터;를 더 구비할 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 감지막은 리셉터 및 이와 결합되는 표적 물질에 따라 저항이 가변될 수 있는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 리셉터는 작용기에 의해 상기 감지막 상에 부착되어 있으며, 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 압타머, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 작용기는 아민기, 카르복실기 및 티올기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 바이오 감지 장치에서, 상기 표적 물질은 단백질, 펩티드, 압타머, 핵산, 올리고당, 아미노산, 탄수화물, 용해 가스, 산화황 가스, 산화질소 가스, 잔류 농약, 중금속 및 환경유해물질로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 바이오 감지 장치는 감지막과 상부 게이트 전극이 형성된 상부 기판; 및 하부 게이트 전극이 형성된 하부 기판;을 더 포함하되, 상부 기판과 하부 기판은 상하로 적층 결합될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 분석 시간을 단축시킬 수 있으며 비용이 상대적으로 낮은 바이오 감지 장치를 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치와 이를 구성하는 단위셀을 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀의 단면을 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀의 회로 구조를 개략적으로 도해하는 회로도이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 상부 레이어의 일부를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 하부 레이어의 일부를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀을 제조하는 일 예를 도해하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀에서 소스 전극의 형상을 도해하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 예시적으로 설명하기로 한다. 명세서 전체에 걸쳐서, 막, 패턴, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 상기 다른 구성요소 "상에" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다.
도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것일 수 있다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치와 이를 구성하는 단위셀을 개략적으로 도해하는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀의 단면을 개략적으로 도해하는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀의 회로 구조를 개략적으로 도해하는 회로도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치는 어레이 배열된 단위셀(10)을 포함한다. 단위셀(10)은 서로 이격되어 배치된 소스 전극(140) 및 드레인 전극(150); 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널인 감지막(190); 및 감지막과 이격되어 배치된 게이트 전극(110, 160); 을 구비한다.
단위셀(10)은 감지막(190) 상에 부착되되 표적 물질과 결합할 수 있는 리셉터(195); 를 더 구비할 수 있다. 리셉터(195)는 작용기에 의해 감지막(190) 상에 부착될 수 있다. 리셉터(195)는, 예를 들어, 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 압타머, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다. 한편, 상기 작용기는, 예를 들어, 아민기, 카르복실기 및 티올기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 표적 물질은, 예를 들어, 단백질, 압타머, 펩티드, 핵산, 올리고당, 아미노산, 탄수화물, 용해 가스, 산화황 가스, 산화질소 가스, 잔류 농약, 중금속 및 환경유해물질로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
감지막(190)은 리셉터(195) 및 이와 결합되는 표적 물질에 따라 저항이 가변될 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 감지막(190)의 재질은, 예를 들어, 탄소나노튜브(CNT), 그래핀(graphene), 이황화 몰리브덴(MoS2) 또는 포스포린(phosphorene)을 포함할 수 있다. 한편, 본 발명의 변형된 실시예에 의한 바이오 감지 장치에서, 감지막(190)은 리셉터(195)를 개재하지 않고 상술한 표적 물질과 직접 반응하여 저항이 가변될 수 있는 물질로 이루어질 수도 있다.
게이트 전극(110, 160)은 서로 상하로 이격되어 배치된 상부 게이트 전극(160) 및 하부 게이트 전극(110)으로 이루어진다. 상부에 위치하는 상부 게이트 전극(160)와 하부에 위치하는 하부 게이트 전극(110)은 나란하게 신장하지 않고 서로 교차되는 방향으로 신장하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상부 게이트 전극(160) 및 하부 게이트 전극(110)은 서로 수직으로 교차되는 방향으로 신장하도록 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀(10)은 감지막(190)과 게이트 전극(110, 160) 사이에 개재된 절연부재(130, 170)를 더 구비할 수 있다. 예를 들어, 감지막(190)과 상부 게이트 전극(160) 사이에 절연부재(170)가 개재될 수 있으며, 감지막(190)과 하부 게이트 전극(110) 사이에 절연부재(130)가 개재될 수 있다. 절연부재(170)은, 예를 들어, 절연막의 형태를 가지며, 절연부재(130)는, 예를 들어, 절연막 또는 절연 기판의 형태를 가질 수 있다.
상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치는 질병 진단에 사용되는 검사 장치로 사용될 수 있으며, 감지막과 리셉터의 종류에 따라 항원과 항체 사이의 면역 반응을 이용한 감지 장치로 활용될 수 있다. 이 경우, 전기적 측정 결과를 활용하기 때문에 분석 과정에서 복잡한 절차가 필요하지 않고, 분석을 위한 장치가 상대적으로 저가이며, 분석 시간이 오래 소요되지 않는다는 장점을 가진다.
한편, 도 1을 더 참조하면, 기판(100, 130)당 단위셀(10)의 개수는 8x12의 총 96개로 도시되었으나 이에 한정되는 것은 아니다. 단위셀(10)의 사이즈를 나노 사이즈로 더 축소하면 단위셀(10)의 개수를 8x12의 4배, 16배, 64배, 256배, 1024배, 4096배, 16384배 등으로 증가시킬 수 있다. 이와 같이, 하나의 기판당 단위셀의 개수를 증가시킴으로써 본 발명의 바이오 감지 장치에 의하면 다양한 질병 진단이 가능하고, 검사 시간의 단축에 따른 검사 비용을 획기적으로 줄일 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 상부 레이어의 일부를 개략적으로 도해하는 도면이고, 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치의 하부 레이어의 일부를 개략적으로 도해하는 도면이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제 1 방향으로 신장하는 상부 게이트 전극(160)들이 서로 이격되어 나란하게 배치되고, 상기 제 1 방향과 교차하는 방향인 제 2 방향으로 신장하는 하부 게이트 전극(110)들이 서로 이격되어 나란하게 배치된다. 제 1 방향으로 신장하는 상부 게이트 전극(160)들과 제 2 방향으로 신장하는 하부 게이트 전극(110)들이 교차하는 각각의 영역에서 상술한 단위셀(10)이 형성된다.
한편, 상부 게이트 전극(160)들이 배치된 상부 레이어에는 드레인 전극(150)에 전기적으로 연결되는 드레인 배선라인(155)들이 제 1 방향으로 나란하게 신장하면서 서로 이격되어 배치된다. 하부 게이트 전극(110)들이 배치된 하부 레이어에는 소스 전극(140)에 전기적으로 연결되는 소스 배선라인(145)들이 제 2 방향으로 나란하게 신장하면서 서로 이격되어 배치된다.
상부 게이트 전극(160)들 또는 하부 게이트 전극(110)들은 각각 공통적으로 연결(commonly connected)될 수 있으며, 드레인 배선라인(155)들 또는 소스 배선라인(145)들은 각각 공통적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 하부 레이어에 배치되는 하부 게이트 전극(110)들은 공통단자(119)를 통하여 공통적으로 연결될 수 있으며, 소스 배선라인(145)들은 공통단자(149)를 통하여 공통적으로 연결될 수 있다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치에서 단위셀(10)들은 어레이 배열되는 바, 어레이 배열된 단위셀(10) 상호간의 크로스톡(cross talk)을 방지하기 위하여, 상부에 배치된 상부 게이트 전극(160)은 게이트 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압(VG)의 일부(VG1)만 인가되며, 하부에 배치된 하부 게이트 전극(110)은 게이트 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압(VG)의 나머지 일부(VG2)만 인가될 수 있다(VG = VG1+ VG2).
예를 들어, 어레이 배열된 단위셀(10) 상호간의 크로스톡(cross talk)을 방지하기 위하여, 상부에 배치된 상부 게이트 전극(160)은 게이트 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압(VG)의 절반(1/2·VG)만 인가되며, 하부에 배치된 하부 게이트 전극(110)은 게이트 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압(VG)의 나머지 절반(1/2·VG)만 인가될 수 있다.
이 경우, 공통단자(119)를 통하여 공통적으로 연결된 하부에 배치된 하부 게이트 전극(110)들은 게이트 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압(VG)의 절반(1/2·VG)만 공통적으로 인가되므로 게이트 채널 동작이 구현되기 위해서는 게이트 전압(VG)의 나머지 절반이 상부 게이트 전극(160)에 인가되어야 한다. 상부 레이어에 배치된 상부 게이트 전극(160)들 중에서 어느 하나의 상부 게이트 전극(160b)에만 게이트 전압(VG)의 나머지 절반이 인가되고 주변의 상부 게이트 전극(160a, 160c)에는 게이트 전압(VG)의 나머지 절반이 인가되지 않도록 제어될 수 있다. 이러한 구조를 채용할 경우 상기 상부 게이트 전극(160b)에 대응되는 일련의 단위셀들에서만 게이트 채널 동작이 구현되고, 상기 상부 게이트 전극(160a, 160c)에 대응되는 인접 단위셀들에서는 게이트 채널 동작이 구현되지 않는다.
만약, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀이 상하로 이격되어 배치되는 이중 게이트 구조를 채용하지 않고 단일 게이트 구조를 채용한다면, 상대적으로 높은 전압이 인접 단위셀에 영향을 미쳐 의도하지 않게 게이트 채널 동작이 인접셀에 구현되는 크로스톡 현상이 발생될 수 있다. 본 발명에서는 단위셀을 구성하는 게이트 전극을 상하로 이격하여 이중으로 배치하되 각각 분할된 게이트 전압을 인가함으로써 크로스톡 현상을 방지할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀을 제조하는 일 예를 도해하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 2의 단위셀 구조를 구현하기 위하여, 하부 기판(100) 상에 상술한 소스 배선라인(145)들과 하부 게이트 전극(110)이 형성된 하부 구조체를 준비하고, 상부 기판(130) 상에 상술한 드레인 배선라인(155), 상부 게이트 전극(160)이 형성된 상부 구조체를 준비한 후에, 상기 하부 구조체 상에 상기 상부 구조체를 적층 접합하는 단계를 수행할 수 있다. 하부 구조체의 하부 기판(100)은 바이오 감지 장치의 지지체 역할도 담당할 수 있다. 상부 기판(130)은 감지막(190)과 하부 게이트 전극(110)를 절연시키는 역할도 수행할 수 있으며, 소스 전극(140)과 소스 배선라인(145)을 전기적으로 연결하기 위한 연결패턴(142)이 지나갈 수 있도록 관통홀(135)을 구비할 수 있다. 상부 기판(130)은 두께가 약 0.1mm 정도인 PCB 기판일 수 있으며, 하부 기판(100)은 두께가 약 1mm 정도인 PCB 기판일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치는 상술한 이중 기판 구조를 채용함으로써 복잡한 이중 게이트 전극 구성을 비교적 낮은 비용으로 용이하게 구현할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이오 감지 장치를 구성하는 단위셀에서 소스 전극의 형상을 도해하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 소스 전극(140)에서 탄소나노튜브, 그래핀, 이황화 몰리브덴 또는 포스포린과 같은 감지막(190)과 접하는 영역(140b)은 빗살 모양의 콤(comb) 형상을 가질 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 감지막(190)과 소스 전극(140)의 접합력 또는 상호연결성을 개선할 수 있다. 마찬가지로, 드레인 전극에서 탄소나노튜브 또는 그래핀과 같은 감지막과 접하는 영역은 빗살 모양의 콤(comb) 형상을 가짐으로써 드레인 전극과 감지막의 접합력 또는 상호연결성을 개선할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10 : 단위셀
100 : 하부 기판
110 : 하부 게이트 전극
130 : 상부 기판
135 : 관통홀
140 : 소스 전극
145 : 소스 배선라인
150 : 드레인 전극
155 : 드레인 배선라인
160 : 상부 게이트 전극
170 : 절연부재
190 : 감지막
195 : 리셉터

Claims (12)

  1. 서로 이격되어 배치된 소스 전극 및 드레인 전극; 소스 전극 및 드레인 전극 사이의 채널인 감지막; 및 감지막과 이격되어 배치된 게이트 전극; 을 구비하는 단위셀이 어레이 배열되되, 상기 게이트 전극은 서로 상하로 이격되어 배치된 상부 게이트 전극 및 하부 게이트 전극으로 이루어지며, 상기 상부 게이트 전극 및 하부 게이트 전극은 나란하게 신장하지 않고 서로 교차되는 방향으로 신장하도록 배치된, 바이오 감지 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    어레이 배열된 단위셀 상호간의 크로스톡을 방지하기 위하여, 상기 상부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압의 일부만 인가되며, 상기 하부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 상기 게이트 전압의 나머지 일부만 인가되는, 바이오 감지 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    어레이 배열된 단위셀 상호간의 크로스톡을 방지하기 위하여, 상기 상부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 게이트 전압의 절반만 인가되며, 상기 하부 게이트 전극은 채널 동작이 구현될 수 있는 상기 게이트 전압의 나머지 절반만 인가되는, 바이오 감지 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지막의 재질은 탄소나노튜브, 그래핀, 이황화 몰리브덴 또는 포스포린을 포함하는, 바이오 감지 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브, 그래핀, 이황화 몰리브덴 또는 포스포린과 접합되는 소스 전극 또는 드레인 전극의 일부는 콤(comb) 형상을 가지는, 바이오 감지 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 단위셀은, 감지막 상에 부착되되 표적 물질과 결합할 수 있는 리셉터;를 더 구비하는, 바이오 감지 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 감지막은 리셉터 및 이와 결합되는 표적 물질에 따라 저항이 가변될 수 있는 물질로 이루어진, 바이오 감지 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 리셉터는 작용기에 의해 상기 감지막 상에 부착되어 있으며, 효소기질, 리간드, 아미노산, 펩티드, 압타머, 단백질, 핵산, 지질 및 탄수화물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나 이상인, 바이오 감지 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 작용기는 아민기, 카르복실기 및 티올기로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인, 바이오 감지 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 표적 물질은 단백질, 펩티드, 압타머, 핵산, 올리고당, 아미노산, 탄수화물, 용해 가스, 산화황 가스, 산화질소 가스, 잔류 농약, 중금속 및 환경유해물질로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나인, 바이오 감지 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    감지막과 상부 게이트 전극이 형성된 상부 기판; 및 하부 게이트 전극이 형성된 하부 기판;을 더 포함하되, 상부 기판과 하부 기판은 상하로 적층 결합된, 바이오 감지 장치.
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