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Ultraviolettstrahlung, kurz Ultraviolett oder UV-Strahlung, umgangssprachlich auch ultraviolettes Licht, UV-Licht oder Schwarzlicht, selten auch Infraviolett-Strahlung (Abk. IV-Strahlung) ist für den Menschen unsichtbare elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge, die kürzer ist als die des für den Menschen sichtbaren Lichtes, aber länger als die der Röntgenstrahlung.
Die Bezeichnung ultraviolett (etwa „jenseits von Violett“) rührt dabei daher, dass das UV-Spektrum mit etwas kürzeren Wellenlängen als jenen beginnt, die der Mensch gerade noch als Farbe Blauviolett wahrzunehmen vermag.
Inhaltsverzeichnis |
Die Entdeckung der UV-Strahlung folgte schnell aus den ersten Experimenten mit der Schwärzung von Silbersalzen im Sonnenlicht. Im Jahr 1801 machte der deutsche Physiker Johann Wilhelm Ritter die Beobachtung, dass Strahlen gerade jenseits des violetten Endes im sichtbaren Spektrum unglaublich effektiv waren im Schwärzen von Silberchloridpapier. Er nannte die Strahlen zunächst „de-oxidierende Strahlen“, um ihre chemische Wirkungskraft zu betonen und sie von den infraroten „Wärmestrahlen“ am anderen Ende des Spektrums zu unterscheiden. Bis ins 19. Jahrhundert wurde UV als „chemische Strahlung“ bezeichnet. Heutzutage werden aber nur noch die Namen „Infrarotstrahlung“ und „Ultraviolettstrahlung“ verwendet, um die beiden unterschiedlichen Strahlungsarten zu charakterisieren.[1]
Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckte man die heilende Wirkung der künstlichen UV-Strahlung. So berichtete der österreichische Arzt Gustav Kaiser (1871–1954), der sich in Würzburg mit elektrotherapeutischen Studien beschäftigt hatte, in der Vollversammlung der Gesellschaft der Ärzte Wiens im Februar 1902 über den Selbstversuch mit einer UV-Glühlampe, mit deren Hilfe er die Gesundung einer nicht heilen wollenden Wunde erreichte. Eine schwer erkrankte tuberkulöse Patientin soll nach dem vorliegenden Bericht mittels des „blauen Lichtes“ in 4 Wochen geheilt worden sein. Ermutigt durch diese Erfolge dehnte Kaiser seine Versuche mit einer Hohllinse auf Hautkrankheiten aus, wobei er ebenfalls sehr günstige Ergebnisse erzielte. Er zog daraus den Schluss, dass die UV-Strahlung keimtötend wirkt.[2]
| Name | Abkürzung | Wellenlängenbereich in nm | Photonenenergie |
|---|---|---|---|
| Nahes UV („Schwarzlicht“) | UV-A | 380–315 nm | 3,26–3,94 eV |
| Mittleres UV (Dorno-Strahlung) | UV-B | 315–280 nm | 3,94–4,43 eV |
| Fernes UV | UV-C-FUV | 280–200 nm | 4,43–6,2 eV |
| Vakuum-UV | UV-C-VUV | 200–100 nm | 6,20–12,4 eV |
| Extremes UV (keine DIN 5031) | EUV, XUV | 100–1 nm | 12,4–1240 eV |
Gemäß DIN 5031, Teil 7[3] umfasst das ultraviolette Spektrum Wellenlängen von 1 nm bis 380 nm (Grenze zum sichtbaren Licht), die Frequenz der Strahlung reicht also von 789 THz (380 nm) bis 300 PHz (1 nm). Dieser Bereich wird wiederum in die Unterbereiche UV-A, UV-B und UV-C eingeteilt. Außerhalb der DIN existieren mehrere, sich überlappende und nicht genau definierte Unterteilungsmuster. Dies gilt insbesondere für den biologischen und dermatologischen Bereich. So reicht der UV-Bereich laut World Health Organization (WHO) von 1 nm bis 400 nm.[4]
Für UV-Strahlung mit Wellenlängen unter 300 nm ist in der Fotolithographie (KrF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 248 nm) und der Lasertechnik der Begriff „tiefes Ultraviolett“ (englisch deep ultraviolet, DUV) gebräuchlich. Unterhalb 200 nm ist Ultraviolettstrahlung so kurzwellig bzw. energiereich, dass sie durch molekularen Sauerstoff (O2) absorbiert wird; dabei wird der molekulare Sauerstoff (O2) in zwei freie Sauerstoffradikale (2 O•) gespalten, die jeweils mit einem weiteren Molekül Sauerstoff (O2) zu Ozon (O3) weiterreagieren. UV-Strahlung mit Wellenlängen kleiner 200 nm kann sich folglich nur unter Schutzgas und die kurzwelligen Anteile unter 100 nm nur noch im Vakuum ausbreiten, daher stammt auch der Ausdruck „Vakuum-Ultraviolett“.
Eine vollständige Übersicht über die elektromagnetischen Wellenbereiche findet sich im Artikel Elektromagnetisches Spektrum.
Bei Thermischer Strahlung wird der Anteil der UV-Strahlung durch das Plancksche Strahlungsgesetz und das Wiensche Verschiebungsgesetz bestimmt. Durch angeregte Elektronen kann dann UV-Strahlung generiert werden, wenn deren Energie oberhalb 3,3 eV liegt. Das ist auch bei der Temperatur der Glühwendeln von Glühlampen bereits in geringem Maße gegeben, weshalb insbesondere Halogen-Glühlampen auch etwas Ultraviolett aussenden.
Ultraviolettstrahlung kommt in der Sonnenstrahlung vor. Wegen der Absorption in der Erdatmosphäre (besonders in der Ozonschicht) dringt jedoch vor allen Dingen UV-A- und wenig UV-B-Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb 300 nm bis zur Erdoberfläche vor. Bestimmte Gase, insbesondere FCKW, verschieben das Gleichgewicht in der Ozonschicht und führen zum Ozonloch – die UV-B-Exposition der Erdoberfläche nimmt dadurch zu.
Auch andere kosmische Objekte wie Pulsare, hochangeregte Gasmassen sowie die meisten Fixsterne senden UV-Strahlung aus.
Weiterhin enthält auch das Polarlicht Ultraviolettstrahlung. Weitere natürliche irdische Ultraviolettquellen sind Gewitterblitze und St.-Elms-Feuer.
Ultraviolettstrahlung kann künstlich hergestellt werden, häufig z. B. mit Quecksilberdampflampen:
Weitere Quellen, deren Ultraviolett-Emission jedoch zweitrangig ist, sind Gasentladungslampen (auch sog. Tageslichtlampen und Vollspektrumröhren u. ä.; hierbei ist die UV-Emission jedoch gesundheitlich unbedenklich, im Gegenteil sogar gewünscht), das Lichtbogenschweißen (sämtliche elektrischen Schweißarten (MAG, MIG, WIG), die Koronabehandlung (siehe auch Ionisator) sowie alle Prozesse, bei denen ionisierte Gase oder sehr hohe Temperaturen auftreten (z. B. Laser-Materialbearbeitung, Ionenquellen, Funkenstrecken usw.)
Ultraviolettstrahlung wird vom menschlichen Auge nicht mehr wahrgenommen, manche Tiere (Insekten, Vögel, Fische, Reptilien) können sie jedoch teilweise sehen. Sie zählt neben dem sichtbaren Licht und der Infrarotstrahlung zur Gruppe der optischen Strahlung, da sie gebrochen, reflektiert, transmittiert, absorbiert und/oder gebeugt werden kann.
Unterhalb einer Wellenlänge von ca. 200 nm ist die Energie eines einzelnen ultravioletten Strahlungsquants ausreichend, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu lösen, d. h., diese zu ionisieren. Wie auch bei Gamma- und Röntgenstrahlung bezeichnet man daher kurzwellige Ultraviolettstrahlung unterhalb ca. 200 nm als ionisierende Strahlung.
Gewöhnliches Fensterglas ist für einen großen Teil der ultravioletten Strahlen undurchlässig. Das gilt besonders für UV-Strahlen mit kurzen Wellenlängen (UV-B und UV-C), für UV-A ist Fensterglas jedoch durchlässig. Quarz ist für den gesamten natürlich vorkommenden UV-Bereich transparent. Normales Glas (Natron-Kalk-Glas) ist für Ultraviolettstrahlung unterhalb von 320 nm nicht durchlässig, Borosilikatglas (Jenaer Glas) lässt dagegen UV-Strahlung bis etwa 290 nm passieren. Strahlung unterhalb von 290 nm transmittiert z. B. durch natürliche oder synthetische Quarzkristalle und auch Quarzglas (Kieselglas). Weil natürlicher Quarz und auch gewöhnliches Kieselglas durch seinen Titangehalt keine UV-Strahlung unterhalb 200 nm transmittieren lässt, wird z. B. für ozongenerierende UV-Lampen synthetisches hochreines Quarzglas verwendet (z. B. in der Aufbereitung hochreinen Wassers zur Oxidation der gelösten organischen Kohlenstoffverbindungen oder für die ArF-Excimerlaser-Wellenlänge 193 nm). Für noch kürzere Wellenlängen (bis herab zu 45 nm) wird einkristallines Kalziumfluorid verwendet.
Kurzwelliges Ultraviolett hoher Intensität trübt Gläser und optische Komponenten; an Optiken (z. B. für Excimerlaser) werden daher hohe Reinheitsanforderungen gestellt.
Ultraviolett regt viele Stoffe zur Fluoreszenz an.
Der Äußere Photoeffekt tritt bei Ultraviolett an allen Metalloberflächen auf; er wird in Photomultipliers u. a. an Szintillationsdetektoren zur Registrierung ultravioletter Strahlungsimpulse genutzt (Neutrinodetektor, Nachweis und Klassifizierung ionisierender Strahlung).
UV-Strahlung vermag organische Bindungen zu spalten, aber auch zu schaffen. Es kann die Vernetzung von Monomeren initiieren oder organische Bindungen zerstören. Viele Kunststoffe werden durch Ultraviolettstrahlung geschädigt (Trübung, Versprödung, Zerfall).
Sauerstoff wird durch kurzwellige UV-Strahlung unterhalb 200 nm in atomaren Sauerstoff gespalten, es kommt zur Bildung von Ozon und einer Vielzahl anderer Folgereaktionen (siehe Ozonschicht).
Obwohl die Ultraviolettstrahlung die niederenergetischste der ionisierenden Strahlungen ist, kann sie für den Menschen und andere Organismen gefährlich werden. Auch UV-Strahlung mit größerer Wellenlänge vermag bereits chemische Bindungen organischer Moleküle zu zerstören. Daher ist ein verantwortungsvoller Umgang mit Sonnenlicht (Sonnenschutz) oder mit technischen UV-Quellen angebracht. Auch der übermäßige Besuch von Solarien ist aus diesem Grund umstritten.
Die Wirkung der UV-Strahlung teilt sich wie folgt auf:
| Bereich | Wellenlänge | Biologische Wirkung |
|---|---|---|
| UV-A | 315–400 nm |
Lange Wellen gelangen bis zur Lederhaut und bewirken
|
| UV-B | 280–315 nm |
Kurze Wellen
|
| UV-C | 100–280 nm | Sehr kurzwellig, gelangt nicht bis zur Erdoberfläche, Absorption durch die obersten Luftschichten der Erdatmosphäre, unterhalb etwa 200 nm durch Photolyse des Luftsauerstoffs ozongenerierend.
UV-C-Strahlung (vor allem die bei niedrigem Dampfdruck, mit hoher Ausbeute (30–40 %) der angelegten elektrischen Leistung anregbare Emissionslinie des Quecksilberdampfs bei 253,652 nm) findet in der physikalischen Entkeimungstechnik eine technische Anwendung (siehe auch Quecksilberdampflampen). Während bei 280 nm (Absorptionsmaximum der meisten Proteine) die darin eingebaute Aminosäure Tryptophan die ultraviolette Strahlung absorbiert, werden bei 265 nm Nukleinsäuren am stärksten geschädigt. Bei etwa 245 nm absorbieren vor allem die Nukleinsäuren, während Proteine hier ein relatives Absorptionsminimum zwischen dem Absorptionsmaximum um 280 nm durch aromatische Aminosäuren (Tryptophan, Tyrosin und Phenylalanin) und der Absorption durch die Peptidbindung zwischen den einzelnen Aminosäuren (Maximum bei etwa 220 nm) zeigen. Daher ist bei 253,7 nm (Primärstrahlung der Niederdruck-Quecksilberdampfentladung) auch die Bestrahlung von Proteinlösungen (z. B. Tierseren für die Zellkultur) zur Inaktivierung darin enthaltener Viren und Bakterien möglich. |
UV-Strahlung mit Wellenlängen unter 100 nm kommt im Sonnenlicht nur mit sehr geringer Intensität vor.
Die Schädigung hängt nicht nur von der Energie der UV-Strahlung ab, sondern auch von der Eindringtiefe und der Zeit der Bestrahlung des Gewebes. Beispielsweise wird UV-C-Strahlung bei 253,7 nm durch verhornte Haut praktisch schon an der Oberfläche vollständig absorbiert und ist daher weniger effektiv bei der Schädigung tieferliegender Zellschichten als UV-B-Strahlung, das schwächer absorbiert wird und bis in diese eindringt. Ein durch eine UV-C-Lampe versehentlich hervorgerufener Sonnenbrand klingt daher schon innerhalb eines Folgetages vollständig ab.
Allerhöchste Vorsicht ist jedoch bei Exposition der Augen geboten. Ultraviolett führt zu Bindehautentzündung und Trübung der Hornhaut. Daher muss zum Beispiel beim Lichtbogenhandschweißen eine Schweißblende benutzt werden – kurzwellige UV-Strahlung kann sehr schnell zur Augenschädigung bis zur Erblindung führen. Durch Lichtbögen und auch Funkenstrecken entsteht ein breites Spektrum intensiver UV-Strahlung, das bei ungeschützter Anwendung (offen liegende Körperteile) bereits nach wenigen Minuten eine Verbrennung der Haut ähnlich einem Sonnenbrand verursacht. Die Haut fühlt sich dabei „trocken“ an und fängt an zu „spannen“. Es treten Verbrennungen 1. Grades (Rötung) bis 2. Grades (Blasenbildung) auf.
Langzeitschäden wie Hautalterung, Hautkrebs oder Katarakt können auch auftreten, wenn die Erythemschwelle zwar nicht überschritten wird, die Bestrahlung aber häufig erfolgt. Haut und Augen registrieren jede UV-Strahlung und nicht nur diejenige, die über der Erythemschwelle liegt.
DNA-Schäden entstehen durch UV-Strahlung, wenn sich zwei benachbarte Thyminbasen kovalent miteinander verbinden, sodass sie ein Thymindimer bilden. Diese behindern die Replikation oder führen zu Mutationen. Mittels des Enzyms Photolyase und Licht können diese Dimere wieder gespalten und so die DNA repariert werden. Bei allen Plazentatieren, so auch dem Menschen, wurde die Funktion der Photolyase im Laufe der Evolution durch das Nukleotid-Exzisions-Reparatursystem (NER) übernommen.[7] Bei Kindern, die an der Krankheit Xeroderma pigmentosum leiden, liegt ein Defekt der Reparaturenzyme des NER vor. Das hat eine absolute Unverträglichkeit natürlicher Sonnenstrahlung zur Folge („Mondscheinkinder“). Die Patienten entwickeln unter Exposition von natürlicher UV-Strahlung deutlich schneller maligne Hauttumoren als Menschen ohne vergleichbare Enzymdefekte.
UV-B-Strahlung wurde früher auch Dorno-Strahlung genannt, nach Carl Dorno, der diese intensiv untersuchte. Sie bewirkt die photochemische Bildung des anti-rachitischen Calciferol (Vitamin D) in der Haut.
Der UV-Index ist eine international festgelegte Messgröße. Er beschreibt die sonnenbrandwirksame solare Bestrahlungsstärke. In der Vorhersage und Warnung wird der UV-Index als maximal zu erwartender UV-Index (max. UVI) angegeben. Er variiert abhängig von der geographischen Lage, der Höhe, sowie von Jahreszeit und Wetterlage.
| Bezeichnung | Wellenlänge | Frequenz | Photonen-Energie | Erzeugung / Anregung | Technischer Einsatz |
|---|---|---|---|---|---|
| UV-Strahlen | 1–380 nm | > 789 THz | > 5,2 × 10−19 J > 3,3 eV |
Desinfektion, Spektroskopie | |
| schwache UV-Strahlen | 200–380 nm | > 789 THz | > 5,2 × 10−19 J > 3,3 eV |
Gasentladung, Synchrotron, Excimerlaser | Schwarzlicht Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Prüfung von Geldscheinen, Fotolithografie |
| Starke UV-Strahlen | 50–200 nm | > 1,5 PHz | > 9,9 × 10−19 J > 6,2 eV |
Gasentladung, Synchrotron, Excimerlaser | Fotolithografie |
| XUV | 1–50 nm | 6 PHz–300 PHz | 2,0 × 10−16–5,0 × 10−18 J 20–1000 eV |
XUV-Röhre, Synchrotron | EUV-Lithografie, Röntgenmikroskopie, Nanoskopie |
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Auch andere Gasentladungslampen enthalten manchmal Leuchtstoffe, um die Farbwiedergabe zu verbessern, indem diese mit dem Ultraviolett-Strahlungsanteil der Entladung angeregt werden. Weiße Leuchtdioden benutzen dafür jedoch einen blau strahlenden Chip und durch Blau anregbare Leuchtstoffe.
Von sog. Tageslichtlampen und Vollspektrumröhren (u. ä. Bezeichnungen, herstellerabhängig) wird ein dem Sonnenlicht möglichst ähnliches Lichtspektrum inkl. UV und Infrarot abgegeben, um eine natürliche Beleuchtung (insb. in Innenräumen, siehe auch Ergonomie) zu ermöglichen; hierbei ist die Menge der UV-Emission gesundheitlich unbedenklich.
Einige Farbstoffe, wie z. B. das in den Biowissenschaften verwendete DAPI, werden von UV-Strahlung angeregt und emittieren dann ein längerwelliges, also meist sichtbares Licht. Fluoreszierende Stoffe werden als Marker eingesetzt, um biologische Stoffwechselvorgänge oder Genvariationen zu beobachten.
Forensik: Sichtbarmachen von Blut und Sperma[8]. Das wird z. B. bei der Aufklärung von Kriminalfällen eingesetzt, wenn biologische Spuren (Blut, Sperma, Speichel) an Wänden, in Textilien usw. nachgewiesen werden sollen.
„Schwarzlicht“, auch unter der englischen Bezeichnung „Blacklight“ ist eine umgangssprachliche Bezeichnung für UV-A-Strahlung, erzeugt durch:
„Schwarzlicht“ ist vor allem in Diskotheken und für Showeffekte üblich und entfaltet seine Wirkung nur in abgedunkelten Räumen: Die Strahlung regt fluoreszierende Stoffe (z. B. der vielen Waschmitteln beigesetzte optische Aufheller an weißem Baumwollstoff, Fluoreszenzfarbstoffe, manchen Papieren zugesetztes weißes Pigment, Mineralien) zum Leuchten an.
Man verwendet es auch für Schwarzlichttheater und in der Mineralogie.
Eine weitere Anwendung ist das Sichtbarmachen von Sicherheitsmerkmalen, u. a. auf Dokumenten (z. B. Ausweispapiere, Fahrscheine) oder Zahlungsmitteln (z. B. Euro-Scheine) sowie „Neon-Stempel“ als „Eintrittskarte“ in ein Konzert.
UV-Strahlung wird in Schulungen zur Visualisierung von mit Fluoreszenzfarbstoffen markierten Substanzen eingesetzt:
In der Elektronik wird UV-Strahlung vor allem in der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen bzw. Schaltkreisen sowie entsprechenden Geräten eingesetzt. So erfolgt beispielsweise die Herstellung von Leiterbahnen auf Leiterplatten durch eine Belichtung einer lichtempfindlichen Schicht auf den Leiterplatten mit einer Quecksilberdampflampe. Dabei wird durch die UV-Strahlung einer fotochemische Reaktion im Fotolack ausgelöst. Das gleiche Prinzip wird auch bei der Herstellung integrierter Schaltkreise (Waferbelichtung) angewendet, vgl. Fotolithografie (Halbleitertechnik). Hierbei kamen früher ebenfalls Quecksilberdampflampen – vor allem mit die g-Linie (434 nm) und die i-Linie (365 nm) – zum Einsatz. Später dann KrF- und ArF-Excimerlaser (248 nm bzw. 193 nm). Der Trend immer kürzere Wellenlängen zu nutzen, ist dabei der fortwährenden Skalierung der Transistorstrukturen geschuldet.
Neben dem Einsatz in der Herstellung wird in der Elektronik UV-Strahlung auch für weitere Anwendungen genutzt. Ein Beispiel ist das Löschen von EPROM-Speicher mit einer Quecksilberdampflampe (253,7 nm). Hierbei bewirkt die UV-Strahlung eine Freisetzung von Ladungsträgern im Floating-Gate aus Polysilizium, die freiwerdenden Elektronen haben genug Energie, um die Potentialbarriere des Siliziumdioxid-Dielektrikums zu überwinden und abzufließen.
Ultraviolette Strahlung wird zur Behandlung von Wasser, Luft und Oberflächen eingesetzt. Aufgrund der Geschwindigkeit der Reaktion – Mikroben werden bei ausreichender Dosis innerhalb von Bruchteilen einer Sekunde inaktiviert – können UV-Strahler nicht nur zur Desinfektion von Oberflächen, sondern auch zur Desinfektion von Wasser, Luft oder sogar in Klimakanälen geführten Luftströmen eingesetzt werden. Vor der Entwicklung von Laminar-Flow-Anlagen für Reinräume, sowie dem heute üblichen und massiven Einsatz von Desinfektionsmitteln, waren daher in Krankenhäusern im Dauerbetrieb arbeitende schwache Ultraviolettstrahler üblich um die Keimzahl gering zu halten. Die zunehmende Antibiotika-Resistenz krankenhausspezifischer Keime könnte dabei in naher Zukunft zu einem Revival der altbekannten Technik führen, da sich bei der UV-Desinfektion keine mutationsbedingten Resistenzen entwickeln können.
Eine heute bereits recht verbreitete Methode ist die Trinkwasseraufbereitung mit UV-Strahlung. Dabei wird die Keimzahl im Wasser zuverlässig und in Abhängigkeit zur Dosis stark reduziert. Eine Zugabe von Chemikalien ist grundsätzlich nicht erforderlich. Gerade chlorresistente Krankheitserreger, wie etwa Cryptosporidien, können mit UV-Strahlung inaktiviert werden. Geschmack, Geruch oder der pH-Wert des Mediums werden nicht beeinflusst. Das ist ein wesentlicher Unterschied zur chemischen Behandlung von Trink- oder Prozesswasser.
Im Allgemeinen kommen bei der UV-Desinfektion Niederdruck-Quecksilberdampflampen zum Einsatz (ggf. auch Mitteldruckstrahler), welche Strahlung der Wellenlänge 254 nm emittieren. Kürzere Wellenlängen (kleiner 200 nm) können alle in Wasser befindlichen organischen Stoffe (TOC) zerlegen und werden zur Herstellung hochreinen Wassers benutzt.
Pflanzen locken durch bestimmte Blütenteile (UV-Male) Insekten an. Einige Tiere, wie z. B. Bienen und Hummeln, können im UV-Bereich sehen. Blüten haben zwischen innen und außen oft eine andere Reflektivität für Ultraviolett. Dadurch finden Bienen auch bei im sichtbaren Bereich einfarbig aussehenden Blüten das Zentrum.
In Lichtfallen für den Insektenfang werden UV-reiche Lichtquellen eingesetzt. Lichtfallen werden zur Schädlingsbekämpfung und zur Zählung/Artbestimmung in der Forschung eingesetzt.
Straßenlampen mit hohem Blau- und Ultraviolettanteil (Quecksilberdampflampen) locken Insekten an und beeinflussen das biologische Gleichgewicht. Undichtigkeiten führen zu erhöhtem Wartungsaufwand. Von umherfliegenden Insekten werden Fledermäuse angelockt und können durch den Straßenverkehr verunglücken.
Commons: Ultraviolettstrahlung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
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