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Fundamentos de AnFundamentos de Anáálise Instrumentallise Instrumental Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica Prof. Alexandre Fonseca Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica Componentes BComponentes Báásicos dos Instrumentos de Absorsicos dos Instrumentos de Absorçção Atômicaão Atômica ATOMIZADORES ELETROTATOMIZADORES ELETROTÉÉRMICOS (Forno de Grafite)RMICOS (Forno de Grafite) • Utilizados quando menores limites de detecção (LD) são desejáveis • Amostra é atomizada rapidamente com os átomos permanecendo no caminho óptico por mais tempo (1s ou mais) (chama = 10-4s). • Procedimento de atomização é feito em um forno que confina os vapores atômicos evitando a sua diluição. • IMPORTANTE: Por ser um atomizador discreto todo o volume de amostra utilizado (poucos microlitros) são transformados em átomos gasosos, o que também contribui para o aumento de sensibilidade Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica ATOMIZADORES ELETROTATOMIZADORES ELETROTÉÉRMICOS (Forno de Grafite)RMICOS (Forno de Grafite) Procedimento Básico para a Atomização: 1 a 100 µL da Amostra líquida é pipetada e transferida para um forno de grafite Forno é aquecido em três etapas: SECAGEM, PIRÓLISE e ATOMIZAÇÂO hυ hυ Realização das leituras em função do tempo Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica Etapas envolvidas na obtenEtapas envolvidas na obtençção do vapor atômicoão do vapor atômico • Secagem (≈ 110oC): Evaporação do solvente (20 s) •Pirólise (300 a 1200 oC): Eliminação da matéria orgânica (60 s) •Atomização (2000 a 3000 oC): Vaporização e Atomização da Amostra (10 s). IMPORTANTE! • O aquecimento na atomização é realizado de forma bastante rápida (milissegundos a segundos). • A medida de absorção é feita logo acima da superfície aquecida Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica ATOMIZADORES ELETROTATOMIZADORES ELETROTÉÉRMICOS (Forno de Grafite)RMICOS (Forno de Grafite) Sinal analítico transiente A absorbância aumenta conforme o número de átomos no estado gasoso aumenta . O sinal diminui à medida que os produtos da atomizição escapam para as vizinhanças. Este sinal é obtido apenas durante a etapa de atomização e não nas etapas de secagem e pirólise. A b s o r b â n c i a tempo Área ou altura do pico são relacionados com a concentração O sinal todo é obtido em menos de 1s, o que exige leituras rápidas do sinal Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica Componentes BComponentes Báásicos dos Instrumentos de Absorsicos dos Instrumentos de Absorçção Atômicaão Atômica ATOMIZADORES ELETROTATOMIZADORES ELETROTÉÉRMICOSRMICOS Tubo de grafite:Tubo de grafite: •• Extremidades conectadas à contatos elétricos que aquecem o tubo ≈ 5 c m Ø interno ≈ 1 cm Plataforma de Plataforma de LL´´vovvov:: Colocada no fundo do tubo, abaixo do orifício de introdução da amostra Atrasa o aquecimento da amostra em relação ao aquecimento do tubo -Ambiente no qual a temperatura não se altera tão bruscamente permite melhor reprodutibilidade do sinal analítico Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica Tubos de grafite:Tubos de grafite: •Porosidade: A sensibilidade e reprodutibilidade das medidas realizadas com tubos de grafite podem ser prejudicadas por difusão do analito nos poros do material •Este problema é reduzido recobrindo-se o grafite com carbono pirolítico Camadas homogêneas do material são depositadas sobre o grafite com aquecimento em um ambiente com hidrocarboneto Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica Vista em corte transversal de um forno de grafite Elimina ar e arrasta o solvente e produtos indesejáveis formados durante a secagem e a pirólise Elimina ar (O2) que causaria a incineração do tubo Feixe de luzFeixe de luz Anel de Vedação Tubo de GrafiteTubo de Grafite JanelaJanela Fluxo Interno de gás (N2) Fluxo Externo de gás (N2) Interrompido durante a atomização para não arrastar o analito Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica Forno de grafite com aquecimento transversalForno de grafite com aquecimento transversal Contato elétrico Contato elétrico hυ hυ Mantém a temperatura constante em quase a toda a sua extensão Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica CaracterCaracteríísticas do sticas do atomizadoratomizador eletroteletrotéérmicormico:: •• Alta sensibilidade (Resultado do maior tempo de residência dos átomos no caminho óptico e do confinamento da amostra em um ambiente fechado) •Exige maior habilidade do analista para inserção da amostra se o equipamento não dispor de amostrador automático •Mais lento que a chama (Vários minutos por elemento) •Intervalo analítico pequeno •Aplicado quando a atomização por chama não oferece limites de detecção adequados. Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Fonte de RadiaFonte de Radiaçção:ão: As linhas de absorção são muito estreitas (0,002 a 0,005 nm) Para que a lei de Beer seja obedecida, a linha de emissão da fonte deve ser mais estreita que a linha de absorção do analito. Se a linha da fonte for mais larga, haverá uma porção de radiação não absorvida pela amostra que será detectada. Ou seja, o detector “entenderá” que a amostra está absorvendo menos radiação (maior transmitância e menor absorbância) do que estaria se a linha da fonte fosse estreita o suficiente. λλλλ Absorção do analito Emissão da fonte Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Fonte de RadiaFonte de Radiaçção:ão: !! Problema !! Como conseguir uma fonte com linhas tão estreitas ? Alternativa: • Utilizar uma fonte de luz branca e isolar a linha de interesse com um prisma ou rede de difração a partir de um monocromador Inviável. A linha isolada desta maneira é muito larga em relação à linha de absorção (largura mínima obtida da ordem de 10-2 nm) Obs. Existem pesquisas a respeito desta estratégia, mas os equipamentos não estão bem estabelecidos Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Fonte de RadiaFonte de Radiaçção:ão: Outra Alternativa: • Utilizar uma fonte de luz que emprega a emissão atômica do próprio elemento de interesse para se obter a linha estreita desejada. Exemplo:Exemplo: Uma lâmpada de vapor de sódio apresentará apenas as linhas de emissão deste elemento. (As linhas de absorção e de emissão ocorrem na mesma faixa estreita de comprimento de onda). Viável. Com esta estratégia interferências da fonte são reduzidas e o instrumento pode ser simplificado. IMPORTANTE ! DE FATO ESTA É A ESTRATÉGIA UTILIZADA EFETIVAMENTE EM INSTRUMENTOS DE ABSORÇÃO ATÔMICA Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica Ilustração de como é realizada a medida de absorção de uma linha de emissão atômica por átomos gasosos e isolados Espectro de emissão da fonte Espectro de absorção da amostra Espectro de emissão após atravessar a amostra e o monocromador Comprimento de onda A b s o r b â n c i a Largura de banda do monocromador P o t ê n c i a R a d i a n t e P o t ê n c i a Ra d i a n t e 1 2 3 1 2 3 O monocromador é um sistema óptico composto por lentes, espelhos, redes de difração ou prismas capaz de selecionar uma faixa estreita de comprimento de onda. Mais adiante vamos descrevê-lo melhor... Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Fonte de RadiaFonte de Radiaçção:ão: Passo a passo do slide anterior: • Átomos excitados no estado gasoso irão emitir linhas com diferentes comprimento de onda ao retornarem ao estado fundamental . As linhas são específicas para aquele elemento. • Uma destas linhas (aquela que se encontra entre as linhas tracejadas) será absorvida pelos átomos de interesse no atomizador. • O monocromador irá isolar a região de interação entre a linha de emissão e a linha de absorção, não deixando que as outras linhas de emissão da fonte atinjam o detector. 1 2 3 Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Lâmpadas de CLâmpadas de Cáátodo Oco.todo Oco. • É de longe a fonte mais comum para absorção atômica • Esquema básico é mostrado abaixo +- Fonte de tensão Cátodo oco pequeno tubo constituido do elemento de interesse ou recoberto por ele Anodo Gás inerte (Ne ou Ar) Íons do Gás inerte Emissão por átomos excitados do elemento de interesse após “sputtering” Janela de Quartzo (Não absorve UV) Emissão de linhas atômicas Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Lâmpadas de CLâmpadas de Cáátodo Oco.todo Oco. • A aplicação de uma diferença de potencial entre o cátodo e o ânodo (≈ 300 V) ioniza o gás inerte (Ar ou Ne). • Os íons gasosos gerados são acelerados na direção do cátodo, o qual é constituído do metal de interesse ou recoberto com ele. • Da colisão dos íons com o metal é gerada uma nuvem doe átomos gasosos excitados, a qual é confinada no pequeno copo que é formado o cátodo • Ao retornarem ao estado fundamental os átomos excitados emitem a radiação de interesse. •Como os átomos estão concentrados em uma região pequena, forma- se um feixe bem intenso de radiação. Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Lâmpadas de CLâmpadas de Cáátodo Oco.todo Oco. Algumas Considerações • As lâmpadas são operadas em condições de menor temperatura do que aquelas dos atomizadores. Como conseqüência as linhas são mais estreitas que as linhas de absorção devido à minimização do efeito Doppler • Na maioria das vezes, é necessária uma lâmpada para a determinação de cada elemento. •Existem Lâmpadas de cátodo oco para mais de um elemento (até 4), mas são menos usuais e menos eficientes Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Detectores Detectores –– FototuboFototubo a Va Váácuocuo •• Embora praticamente não seja utilizado para medidas de absorção atômica nos dias de hoje, o seu funcionamento serve como base para explicar o funcionamento dos tubos fotomultiplicadores (fotomultiplicadoras) usualmente empregadas como detector para absorção atômica. elétrons Filamento Anódico Feixe de fótons Medida de potencial e amplificação Fonte alimentação 90 V cátodo • Emprega o efeito fotoelétrico como princípio para o seu funcionamento •Fótons atingem um cátodo semi-cilíndrico recoberto com material que emite elétrons quando irradiado • Os Elétrons migram para o ânodo em forma de filamento gerando uma corrente elétrica no circuito. •A corrente faz com que o potencial ao longo de R se altere. Este potencial é amplificado e o sinal resultante é proporcional a potência do feixe de fótons. Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Tubos Fotomultiplicadores ou Fotomultiplicadoras (PMT)Tubos Fotomultiplicadores ou Fotomultiplicadoras (PMT) •• Detector bastante utilizado em absorção atômica • Ideal para baixas potências radiantes (baixa intensidade, poucos fótons) Cátodo fotoemissor Radiação (fótons) grelha Número grande de elétrons para cada fóton Número grande de elétrons para cada elétron Invólucro de quartzo Ânodo ≈ 107 elétrons para cada fóton incidente 1-9: Dinodos – Eletrodos adicionais que apresentam um potencial cerca de 90 V mais positivo que o eletrodo anterior Funcionamento: Ao atingirem o cátodo, os fótons de radiação produzem a ejeção de elétrons do cátodo para o dinodo 1, este dinodo, ao ser atingido pelos elétrons, ejeta mais elétrons que irão atingir o dinodo 2. Este efeito em cascata continua a acontecer até atingir o ânodo. Como resultado, obtém-se uma corrente muito maior do que aquela de um fototubo à vácuo (maior sensibilidade para radiações de baixa potência) Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Tubos Fotomultiplicadores ou Fotomultiplicadoras (PMT)Tubos Fotomultiplicadores ou Fotomultiplicadoras (PMT) •• Ilustração da “cascata” de elétrons que é formada pela detecção de um fóton. Fonte de alimentação Fótons de radiação Janela Dinodos Anodo Resistores para divisão da tensão Medidor de saída Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Tubos Fotomultiplicadores ou Fotomultiplicadoras (PMT)Tubos Fotomultiplicadores ou Fotomultiplicadoras (PMT) •• Observatório de Supernovas Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Espectrômetros de AbsorEspectrômetros de Absorçção Atômicaão Atômica •• Além da radiação da fonte de linhas, o detector pode “enxergar” as emissões atômicas de outros elementos, da própria chama e também as emissões dos átomos de interesse (os quais queremos medir apenas a absorbância). •A maior parte desta radiação indesejada é eliminada pelo monocromador na entrada do detector. •O monocromador não consegue eliminar a radiação que está sendo emitida pelo elemento de interesse Para eliminar este fundo (Background) emprega-se um modulador como o do slide a seguir Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Espectrômetros de AbsorEspectrômetros de Absorçção Atômicaão Atômica de Feixe simplesde Feixe simples Detector Detector Atomizador Atomizador Fonte Fonte Interruptor Rotativo (Chopper) Leitura da emissão da chama + fonte Leitura somente da emissão da chama Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Espectrômetros de AbsorEspectrômetros de Absorçção Atômica de feixe simplesão Atômica de feixe simples •• O detector é ajustado para fazer as leituras de maneira sincronizada com o interruptor rotativo. •O sinal obtido para a soma (chama+fonte) é descontado daquele obtido somente para a chama. Isto é feito automaticamente pelo instrumento. • O sinal corrigido é utilizado para os cálculos de trânsmitância e absorbância. S i n a l tempo Lâmpada + chama chama Sinal Analítico Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção AtômicaãoAtômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Espectrômetros de AbsorEspectrômetros de Absorçção Atômicaão Atômica de feixe duplode feixe duplo Amplificador lock-in Atomizador Fonte Saída Sinal P0 Neste momento o sinal medido (P0) corresponde a soma da emissão da chama mais a emissão da fonte. (Observe que não há absorção da radiação da fonte pelos átomos do atomizador) modulador espelho espelho Semi espelho espelho rede espelho espelho fotomultiplicadora abertura espelho Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Espectrômetros de AbsorEspectrômetros de Absorçção Atômicaão Atômica de feixe duplode feixe duplo Amplificador lock-in Atomizador Fonte Saída Sinal P modulador espelho espelho Semi espelho espelho rede espelho espelho fotomultiplicadora abertura espelho Neste momento o sinal medido (P) corresponde a soma da emissão da chama mais a emissão da fonte subtraída da absorção no atomizador. (Observe que há absorção da radiação da fonte pelos átomos do atomizador) Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica InstrumentaInstrumentaçção para Absorão para Absorçção Atômica:ão Atômica: Espectrômetros de AbsorEspectrômetros de Absorçção Atômicaão Atômica de feixe duplode feixe duplo •A transmitância é calculada a partir dos valores de P e P0 recebidos alternadamente pelo detector (Fotomultiplicadora) T = P/P0 •A saída da fotomultiplicadora alimenta um amplificador Lock-in sincronizado com o modulador. • A principal vantagem no uso de um instrumento de feixe duplo é que alterações na potência radiante da própria fonte são minimizadas. Se a intensidade da lâmpada de cátodo oco diminuir por algum motivo durante as medidas, P e P0 também serão menores, mas a razão (P/P0) permanecerá praticamente inalterada Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica Interferências em AbsorInterferências em Absorçção Atômica:ão Atômica: Espectrais:Espectrais: •Sobreposição de Linhas ou Linhas separadas por uma distância muito pequena de modo que o monocromador não consegue separá-las Exemplo: Determinação de Alumínio na presença de Vanádio Al ( linha em 308,215 nm) → empregar outra linha (309,27 nm) V (linha em 308,211 nm) •Produtos da combustão da própria chama que apresentam bandas largas de absorção ou que espalham a radiação da fonte. Problema resolvido muitas vezes ao descontar a absorbância da amostra ou padrão da absorbância do BRANCO Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica Interferências em AbsorInterferências em Absorçção Atômica:ão Atômica: Dificuldade:Dificuldade: Se a banda larga de absorção ou a fonte do espalhamento forem provenientes da própria amostra, apenas descontar o branco não irá resolver o problema da interferência Exemplo: Determinação de Bário em mistura alcalino terrosa. A b s o r ç ã o o u e m i s s ã o r e l a t i v a Comprimento de onda / A0 Linha de absorção do Ba Absorção do CaOH Emissão do CaOH O Ba atômico absorve em uma região em que a espécie CaOH também absorve (Interferência) Solução: Troca-se o ar (oxidante) pelo óxido nitroso (N2O) o que aumenta a temperatura da chama e decompõe o CaOH Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica Interferências em AbsorInterferências em Absorçção Atômica:ão Atômica: Espalhamento:Espalhamento: • Ocorre muitas vezes em amostras que apresentam altas concentrações de Ti, Zr e W. Estas espécies formam óxidos refratários com partículas maiores que o comprimento da onda causando espalhamento da radiação da fonte (Há diminuição da potência do feixe por um um processo diferente da absorção) • Quando solventes orgânicos são empregados para dissolver as amostras, partículas carbonáceas podem ser formadas no atomizador causando o espalhamento Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica CorreCorreçção de Interferências espectrais em Absorão de Interferências espectrais em Absorçção Atômica:ão Atômica: CorreCorreçção com fonte contão com fonte contíínua (Lâmpada de Deutnua (Lâmpada de Deutéério)rio) Monocromador abertura espelho Fotomultiplicadora Lâmpada de D2 Lâmpada de Cátodo ôco Modulador Rotatório Espelho Atomizador A correção é baseada na diferença existente entre dois sinais Um dos sinais é obtido apenas para a lâmpada de Deutério. A absorbância medida com esta lâmpada refere-se fundamentalmente às espécies interferentes (Background) AD2 = A(Background) Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica CorreCorreçção de Interferências espectrais em Absorão de Interferências espectrais em Absorçção Atômica:ão Atômica: CorreCorreçção com fonte contão com fonte contíínua (Lâmpada de Deutnua (Lâmpada de Deutéério)rio) Monocromador abertura espelho Fotomultiplicadora Lâmpada de D2 Lâmpada de Cátodo ôco Modulador Rotatório Espelho Atomizador O outro sinal é obtido apenas para a lâmpada de cátodo ôco. A absorbância medida com esta lâmpada refere-se às espécies interferentes (Background) adicionada da absorção do analito. Acat. ôcco = A(Background) + Aanalito Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica CorreCorreçção de Interferências espectrais em Absorão de Interferências espectrais em Absorçção Atômica:ão Atômica: CorreCorreçção com fonte contão com fonte contíínua (Lâmpada de Deutnua (Lâmpada de Deutéério)rio) A absorbância do analito é determinada como se segue: Aanalito = Acátodo ôco – AD2 Importante! A lâmpada de Deutério apresenta uma banda larga e não linhas como a lâmpada de cátodo ôco. Esta banda larga irá envolver as linha do Backgraound e também a linha de absorção do analito. Entretanto, como a linha do analito é muito estreita em relação à banda de deutério, a absorção por esta linha será desprezível. Obs. A lâmpada de Deutério tem banda de Emissão no ultravioleta (Região onde é realizada a maioria das medidas de absorção atômica) Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica CorreCorreçção de Interferências espectrais em Absorão de Interferências espectrais em Absorçção Atômica:ão Atômica: CorreCorreçção com efeito Zeemanão com efeito Zeeman • Baseada nos desdobramentos de energia de um orbital atômico quando este sofre a ação de um campo magnético intenso (Efeito Zeeman) E n e r g i a Transição possível antes da aplicação do campo magnético Transições possíveis depois da aplicação do campo magnético σσσσ σσσσpipipipi σσσσ σσσσpipipipi Linhas de absorção 0,02 nm Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica CorreCorreçção de Interferências espectrais em Absorão de Interferências espectrais em Absorçção Atômica:ão Atômica: CorreCorreçção com efeito Zeemanão com efeito Zeeman • Sob o efeito do campo magnético, o nível de energia original é desdobrado em três novos níveis (Um deles mantém a mesma energia e outros dois são deslocados em relação a este ) • O nível central absorve apenasapenas radiação plano-polarizada (//) não absorvendo radição perpendicularmente polarizada ( ). O pico de absorção central é aquele de interesse para o analito •Na saída da fonte de cátodo ôco é colocado um polarizador. Este polarizador fará com a luz seja plano-polarizada em alguns momentos e perpendicularmente polarizada em outros. •Luz plano polarizada (Absorvida pelo analito e pelas bandas moleculares)•Luz perpendicularmente polarizada (absorvida apenas pela interferência- bandas moleculares) Espectrometria de AbsorEspectrometria de Absorçção Atômicaão Atômica CorreCorreçção de Interferências espectrais em Absorão de Interferências espectrais em Absorçção Atômica:ão Atômica: EspectrometroEspectrometro de absorde absorçção atômica com corretor Zeemanão atômica com corretor Zeeman Lâmpada de cátodo ôco Polarizador rotatório Forno de Grafite Imã M o n o c r o m a d o r F o t o m u l t i p l i c a d o r a E l e t r ô n i c a D i s p o s i t i v o d e s a í d a Perfil da absorção Zeeman S ó a b s o r ç ã o d e f u n d o Absorção de Fundo + Atômica O sinal analítico é obtido da subtração destes sinais
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