Introducción al monitoreo atmosférico – 03. Revisión de metodologías existentes. Parte 3
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- El 1 septiembre, 2011
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3. REVISIÓN DE METODOLOGÍAS EXISTENTES
3.3. EQUIPO DE LABORATORIO PARA EL ANÁLISIS DE MUESTRAS
Ya habiendo colectado la muestra mediante alguno de los equipos, aparatos o instrumentos descritos en este capítulo se procederá a su análisis específico. Las técnicas de análisis que se requerirán dependerán del tipo de dispositivo en que fue colectada la muestra, del contaminante muestreado y de los objetivos de monitoreo que se hayan fijado. El análisis de PST (Material de Partículas Suspendidas) será muy diferente si sólo se pretende emitir un diagnóstico de la calidad del aire para ver su congruencia con las normas, a si nuestro objetivo requiere del conocimiento del ta-maño, forma y composición química de las partículas.
3.3.1. Métodos de Análisis
Existen diferentes métodos de análisis químico para determinar las sustancias o elementos que se encuentran en una determinada muestra y sus concentraciones, entre los cuales se tienen a los métodos volumétricos, los métodos gravimétricos, los métodos colorimétricos o fotométricos, los métodos potenciométricos, técnicas para conocer la morfología de las partículas y técnicas para llevar a cabo su análisis elemental.
Los métodos volumétricos. Son los métodos analíticos cuantitativos, llamados así porque la cantidad de producto detectado se deduce del volumen de la disolución que se ha consumido en una reacción. Estos métodos cuantifican muestras en solución mediante la valoración de las mismas por medio de técnicas como la titulación85.
Titulación. Es la técnica volumétrica que se utiliza para determinar la concentración de un soluto en un solvente, mediante la adición de un volumen de solución de concentración perfectamente conocida, a la disolución. Es la acción y efecto de (valorar) cuantificar una disolución.
Es decir, se utiliza para valorar una disolución. La valoración de una disolución siempre será una titulación.
Los métodos gravimétricos. Son métodos analíticos cuantitativos en los cuales las determinaciones de las sustancias se llevan a cabo por una diferencia de pesos. Existen métodos gravimétricos para conocer la concentración de una muestra en solución, que llevan a cabo precipitaciones de las muestras por medio de la adición de un exceso de reactivo y aprovechando el efecto del ion común, y otros en los que directamente se pesa el material colectado en un filtro. En este último método gravimétrico se determina la masa, pesando el filtro antes y después del muestreo con una balanza a temperatura y humedad relativa controladas86.
Los métodos fotométricos. Basan la determinación de la concentración de una solución, en la medida de la intensidad de la luz que se transmite a través de la misma, comparándola con una curva patrón de las intensidades de la luz de la misma longitud de onda que se transmite a través de una serie de estas soluciones pero de concentraciones conocidas.
El color de la solución puede ser inherente a la reacción que se lleva a cabo, al constituyente que se analiza, o bien, formarse al agregar un reactivo adecuado. Existen diferentes instrumentos para medir la cantidad de energía radiante absorbida, entre los que tenemos desde diferentes tipos de colorímetros cuyo principio es la colorimetría (procedimiento de análisis químico que se basa en la intensidad del color de las disoluciones) que se valora por técnicas visuales simples, instrumentos para medir la reflectancia, que es una medida de la habilidad para reflejar la energía radiante y el espectrofotómetro, que es un instrumento colorimétrico, cuyo principio de medición es la espectrofotometría, siendo este último el más usado por preciso y flexible87 .
Espectrofotometría. Es la medida de la cantidad de energía radiante absorbida por las moléculas a longitudes de onda específicas. Cada compuesto tiene un patrón de absorción diferente que da origen a un espectro de identificación. Éste consiste en una gráfica de la absorción y la longitud de onda y se presenta en márgenes que abarcan longitudes de onda desde la ultravioleta a la infrarroja. Por lo que si se ajusta un instrumento a una sola longitud de onda escogida entre los límites en que un compuesto absorbe fuertemente y otros no, se puede aislar con filtros una sola longitud de onda, para poder medir la energía absorbida de ese compuesto en particular. Entre los espectrofotómetros más usados tenemos al de infrarrojo no disperso y al de espectro ultravioleta88 .
Los métodos potenciométricos. Son aquellos en los que se mide una diferencia de potencial eléctrico, por medio de aparatos llamados potenciómetros, que se utilizan principalmente para la determinación del pH, introduciendo dos electrodos a la solución a analizar, por los cuales se hace fluir una corriente89 .
Las técnicas para conocer la morfología de las partículas y técnicas para llevar a cabo su análisis elemental, se describirán en la sección de análisis de material particulado de este mismo capítulo. A continuación presentaremos los métodos de análisis más utilizados para cuantificar los gases muestreados.
3.3.2. Análisis de Gases
Los principales métodos para la detección de gases inorgánicos en el aire, son los métodos de análisis fotométricos que se llevan a cabo en las sustancias colectadas en soluciones absorbentes durante los muestreos.
Los requisitos que se deben cumplir para que se pueda llevar a cabo un análisis fotométrico son los siguientes90:
- El reactivo debe ser muy específico y muy sensible al gas que se analiza
- El color de la reacción debe aparecer durante los 30 min. subsecuentes a la misma.
- Una máxima absorción producirá un color fuerte o muy vivo.
- Debe haber una relación lineal entre la masa de la sustancia a ser analizada y la intensidad del color, por lo menos por un rango amplio de concentración (cumplir con la ley de Lambert – Beer).
- Estabilidad del color.
Algunos de los métodos fotométricos utilizados en la determinación de contaminantes gaseosos en Alemania se resumen en el cuadro 3.12, donde se muestra el gas a determinar, el número de metodología que describe el procedimiento de la guía VDI, la solución absorbente y el reactivo fotométrico. Para la determinación de vapores orgánicos, el principal método utilizado, se conoce como cromatografía de gases, que es la destilación fraccionada a escala molecular.
La cromatografía de gases (GC), se lleva a cabo en columnas de separación que contienen absorbentes líquidos no volátiles, soportados en sustratos sólidos (existen columnas empacadas que se rellenan de material inorgánico u orgánico poroso e inerte, como algún polímero, óxido de aluminio o silicagel). Las moléculas de la muestra pasan por las columnas a velocidades proporcionales a sus volatilidades y a su afinidad por el absorbente, y se descomponen en sus componentes por medio de procesos de absorción y desorción. El cromatógrafo de gases consta esencialmente de una columna que está a temperatura controlada, un sistema para introducir cantidades medidas de un gas inerte en dicha columna, un sistema de inyección de la muestra a la entrada de la columna y un detector a la salida que determina la masa. Se pueden elegir diferentes detectores para sensibilidades específicas de determinados compuestos, entre los que se tienen el detector de ionización de flama, el de captura de electrones y el de fotoionización entre otros91 . También se puede colocar al final de la columna de separación un espectrofotómetro de masa (MS), con lo cual se facilita la identificación de componentes de muestras de aire desconocidas.
El método de análisis llamado GC/MS, es actualmente el método más eficiente de análisis de calidad de aire para medir compuestos orgánicos.
Si la muestra de aire colectada está contenida en un material adsorbente, primero tendrá que ser sometida a una desorción o a una extracción previa su introducción al cromatógrafo para recuperar los compuestos orgánicos volátiles adsorbidos, y después podrá analizarse por medio de cromatografía de gases. En estos casos generalmente se utiliza la Desorción Térmica, que consiste en restaurar una sustancia absorbida o adsorbida por medio de la acción o el efecto del calor. La desorsión también se puede llevar a cabo por medio de solventes específicos.
El cromatógrafo de gases es uno de los instrumentos de aplicaciones más diversas en el análisis de contaminantes atmosféricos, ya que puede separar mezclas complejas que comprenden gran variedad de compuestos en columnas diferentes y además puede estandarizar con exactitud un gas de calibración. Existen cromatógrafos adaptados para determinar en forma continua varios contaminantes al mismo tiempo. Y son aparatos sencillos de operar, resistentes y relativamente baratos92 .
3.3.3. Análisis de Material Particulado
Como ya se mencionó, el análisis completo del material particulado que contiene una muestra atmosférica es más complicado que el de una muestra gaseosa, ya que comprende básicamente tres diferentes tipos de análisis:
- La estimación o cuantificación de la masa.
- La caracterización de la distribución por tamaños de partículas.
- El análisis físico y químico de las fracciones particuladas.
Estimación o cuantificación de la masa, método gravimétrico. El principal procedimiento para la cuantificación de la masa es un método gravimétrico en el cual los filtros para la colección de la muestra de partículas y sus “blancos”, se acondicionan a una temperatura y humedad y se pesan (utilizando una microbalanza) antes y después de utilizarse en el muestreo, para determinar el peso (masa) neto resultado de la colección del material particulado, que quedó en el filtro después del muestreo. De esta manera la concentración de la masa en el aire ambiente se calcula como el cociente de la masa de partículas colectadas en el filtro, dividido entre el volumen de aire muestreado y corregido a una temperatura y presión estándar 95 .
Todos los muestreadores activos y pasivos requieren de este tipo de análisis gravimétrico para cuantificar la concentración del material particulado, lo cual implica el montaje del filtro, su colección (generalmente 24 horas más tarde para muestreos de calidad del aire ambiente) y su envío al laboratorio para su análisis que significa un trabajo intensivo, sobre todo si se planean muestreos diarios. Por lo que en estos casos se recomienda la consideración de sistemas de monitoreo automáticos como el TEOM y el BAM96 para la estimación gravimétrica y pseudogravimétrica de la masa.
Otros métodos para la estimación de la masa del material particulado son la Reflectometría y la Nefelometría. En ciudades industrializadas del norte de Europa, el material particulado en invierno, estaba formado predominantemente por partículas de carbón provenientes de la combustión doméstica incompleta de este mismo carbón. Esto provocaba un humo negro conocido como “black smoke” (BS), que era el responsable del material de PST durante episodios de alta mortandad como el ocurrido en Londres. Para medir la concentración del BS muestreado en un filtro, se utiliza un reflectómetro, por medio del cual se mide la reducción de reflectancia que producirían mezclas de humo negro estándar (μg/m3) de concentración conocida y se comparan con la reducción producida por un filtro a través del cual ha pasado aire atmosférico con el mismo flujo y tiempo de muestreo (estándar Británico 1747)97 .
Reflectometría. Siendo ésta una técnica que mide la reducción en el reflejo de la luz y debido a que en la actualidad las emisiones han cambiado considerablemente con la adopción de nuevas tecnologías, el uso de la reflectometría se debiera considerar restringido para la medición de la fracción carbonacea de las partículas y no para la estimación del total de su masa. Sin embargo, comúnmente se convierte la reflectancia medida, inclusive de los aerosoles, en concentraciones gravimétricas utilizando curvas de calibración de la Organización para la Cooperación y Desarrollo Económicos y la Comisión de Comunidades Europeas (OECD 1963; EC 1992), debido a que es una técnica sencilla y de bajo costo. Por lo que una gran cantidad de datos epidemiológicos están relacionados con mediciones de BS, que para ser reemplazadas por un método gravimétrico adecuado, requerirían de un monitoreo en paralelo de por lo menos un año para asegurar la continuidad de los datos y una relación entre las metodologías, asumiendo que la fuente de mezcla ha permanecido constante por el período en que los datos de BS fueron colectados98 .
Nefelometría. Es una técnica que mide la dispersión total de la luz debida principalmente a los aerosoles ambientales en su conjunto. Sirve como una estimación de los aerosoles entre 0.1 y 3 μm. (aprox. PM 2.5).
Esta dispersión de la luz está dominada por los aerosoles secundarios, principalmente por sulfatos, nitritos y amonio. Sin embargo, la conversión de esta dispersión de la luz a concentraciones de masa gravimétricas tiene el mismo problema que la técnica de BS, ya que a humedades relativas de 70% o mayores, las partículas incrementan su tamaño provocando que los valores de dispersión de luz observados aumenten, lo cual ocasiona sobrestimaciones de la masa de los aerosoles.
Para evitar este problema la mayoría de los instrumentos cuentan actualmente con dispositivos térmicos en la entrada, pero a pesar de ellos estos instrumentos no se recomiendan para mediciones de masa. Su aplicación más importante se lleva a cabo para estimar la degradación de la visibilidad99.
Para medir esta dispersión de la luz se utiliza un instrumento llamado Nefelómetro, que consiste en una cámara óptica que generalmente tiene la forma de un cilindro largo iluminado por un lado, perpendicularmente al eje longitudinal de la cámara. La fuente de luz está localizada detrás de un difusor e ilumina los aerosoles en longitudes de onda del espectro visible, dispersando a la luz entre 0° y 180°. La luz dispersada por las partículas en la cámara es detectada e integrada por un tubo fotomultiplicador en un rango de 9° a 171°. Este instrumento se calibra por medio de la introducción de gases con índices de refracción conocido, los cuales producen una determinada dispersión de energía luminosa100 .
La caracterización de la distribución por tamaños de partículas. Se lleva a cabo principalmente durante el muestreo por medio de Impactores que se describieron ampliamente en la sección 3.2.2., o puede llevarse a cabo en el laboratorio durante los análisis físicos en los que se estudia el tamaño y forma de partículas aisladamente, aunque en estos análisis será más difícil obtener la relación entre un cierto rango de tamaño de partículas y el total de ellas, ya que al colectarse juntas en un mismo filtro pueden sufrir aglutinamientos.
El análisis físico y químico de las fracciones particuladas. La caracterización del material particulado tanto física (tamaño), como químicamente (composición), se lleva a cabo generalmente con el propósito de determinar la presencia de compuestos o contaminantes específicos como metales. Estas caracterizaciones son importantes para estimar los efectos potenciales de estas partículas en la salud y en el medio ambiente y para la investigación de la contribución de diferentes fuentes de partículas al PST. También se pueden llevar a cabo investigaciones retrospectivas de cambios en los patrones de los contaminantes con los filtros que se mantienen en los bancos de especímenes, por medio de diferentes técnicas de análisis que mencionaremos a continuación101 .
Actualmente se cuenta con una gran variedad de técnicas de análisis físicas y químicas para identificar la composición de las partículas colectadas. Las técnicas químicas se usan principalmente para determinar entidades funcionales como grupos de iones y volumen de metales en especímenes, mientras que las técnicas físicas se emplean para inspeccionar partículas aisladas y para determinar la composición elemental de la molécula/cristalina101.
Sin embargo, hay que tomar en consideración que el espectro de iones resultado del análisis de un filtro no siempre representa a los iones que se encuentran en el aire, ya que muchas veces son resultado de reacciones químicas que se llevan a cabo durante el muestreo. Estas interferencias pueden limitarse utilizando “Denuders” tanto para prevenir la neutralización de partículas ácidas y la volatilización de sales de amonio, como para evitar la formación de sulfatos102.
Entre las técnicas más comunes que se utilizan para determinar la morfología de las partículas tenemos103:
- Microscopía. Utilizada para analizar partículas gruesas como polen, suelos, polvo de desgaste de llantas y materiales fibrosos. Por medio de esta técnica no destructiva, se analiza el tamaño y la forma de partículas mayores a 1 μm. en forma asilada.
- Microscopía de electrones. Utilizada para llevar a cabo análisis morfológico detallado de aerosoles menores a 1 μm. (humo de cigarro, asbestos y otros) y análisis elemental. Se realiza cuando las partículas se amplifican por medio de un haz de electrones, observándose su tamaño, forma y datos de su concentración.
Existen además siete técnicas fundamentales de análisis elemental disponibles para la caracterización de trazas de elementos que se encuentran en el material particulado suspendido en el aire y son103:
- Fluorescencia de Rayos X (XRF).
- Emisión de Rayos X por Inducción de Protones (PIXE).
- Análisis de Activación de Neutrones (NAA).
- Espectrofotometría de Absorción Atómica (AAS).
- Espectrometría de Masa con plasma de acoplamiento inducido (ICPMS).
- Espectrometría de Emisión Atómica con plasma de acoplamiento inducido (ICP-AES).
- Cromatografía de Iones (IC).
Las primeras dos técnicas cuantifican la concentración de elementos con números atómicos que van desde 11 (Sodio) hasta el 92 (Uranio), son no destructivas, o sea el filtro permanece intacto después del análisis y puede utilizarse para subsecuentes análisis por otros métodos. Estas técnicas se describen a continuación.
La Fluorescencia de Rayos X (XRF). Es una técnica de análisis que se lleva a cabo irradiando el material depositado en el filtro por medio de rayos X de alta energía, los cuales expulsan a los electrones de capas interiores de los átomos de cada elemento en la muestra. Cuando un electrón de energía mayor cae dentro de un orbital libre de menor energía, se libera un fotón, rayo X, fluorescente, único para cada elemento. Comúnmente se utiliza:
- Fluorescencia de rayos X con longitud de onda dispersa, (WDXRF), la cual utiliza un cristal de difracción para la observación de los rayos X fluorescentes, determinándose uno por uno los elementos y minimizando los traslapes. Esta técnica provee una gran resolución de espectro.
- Fluorescencia de rayos X con energía dispersa, (EDXRF), la cual utiliza un detector semiconductor de silicón, que proporciona la determinación simultánea de múltiples elementos con una alta sensibilidad, pero con interferencias espectrales potenciales que requieren de un complejo procedimiento de eliminación de traslapes espectrales104 .
Emisión de Rayos X por Inducción de Protones (PIXE). Esta técnica de análisis es muy similar a la técnica de XRF, pero difiere de ésta en la fuente de excitación para la producción de fluorescencia. En la técnica PIXE el material depositado en el filtro es bombardeado con protones de alta energía para remover a los electrones de las capas interiores104.
Análisis de Activación de Neutrones, NAA. A pesar de que esta técnica de análisis no es destructiva, tapona el filtro y lo hace radioactivo, pero es muy útil para la detección de muy bajas concentraciones. Esta técnica consiste en exponer la muestra del filtro a un flujo de neutrones en un reactor nuclear. El bombardeo de neutrones transforma a los elementos en isótopos radioactivos que emiten rayos gama. La energía y la intensidad de estos rayos gama se detecta por medio de un detector de litiogermanio, identificándose con la energía al isótopo y con su intensidad a la cantidad proporcional del elemento presente en la muestra. Esta técnica no puede cuantificar elementos como silicón, níquel, estaño y plomo104.
Las otras cuatro técnicas de análisis son destructivas, o sea que requieren del tratamiento o destrucción del filtro o de una parte del mismo para que se lleven a cabo, este tratamiento consiste por lo general en una separación por lavado y decantación o en una extracción, que es una separación de una sustancia que se encuentra en un filtro o que se encuentra disuelta en un líquido mediante otro que no se puede mezclar con éste y en el cual dicha sustancia es mucho más soluble. Estas cuatro técnicas se describen a continuación.
Espectrofotometría de Absorción Atómica, AAS. Esta técnica, se lleva a cabo después de la extracción ácida de la muestra, la cual se gasifica en una región a través de la cual se transmite la luz de una específica longitud de onda. Estas longitudes de onda se escogen de manera que correspondan a las energías de absorción de los elementos deseados, en esta técnica se analizan uno a uno los elementos y se utiliza para la determinación de componentes individualmente. La cantidad de luz transmitida se detecta por medio de un fotomultiplicador y un monocrómetro. Comúnmente se usa105:
- AAS con Ionización de Flama, en el cual la muestra extraída se nebuliza por medio de una flama la cual disocia la muestra en los átomos libres del elemento.
- AAS con horno de grafito o electrotérmico, donde la muestra extraída es calentada paulatinamente para secarla, carbonizarla y atomizar la parte a analizar hasta temperaturas de 3 000 °C.
Espectrometría de Masa con plasma de acoplamiento inducido ICPMS. Esta técnica se lleva a cabo después de la extracción en ácido del material depositado en el filtro y ese extracto es nebulizado dentro de una atmósfera de plasma de argón gaseosa, sostenida dentro de un serpentín de inducción energizado con una corriente alterna de alta frecuencia. La alta temperatura en el plasma eleva los electrones de valencia sobre su estado natural y cuando estos electrones regresan a su estado normal, emiten un fotón de luz el cual es único para cada elemento excitado. Esta luz es detectada por un tubo fotomultiplicador en longitudes de onda específicas, para identificar los elementos en la muestra. Este plasma de acoplamiento inducido ICP, junto con un espectrómetro de masa, ICPMS, puede cuantificar concentraciones elementales con gran sensibilidad106.
El espectrómetro de masa resulta muy útil para identificar cantidades de materia muy pequeñas, lo cual se logra ionizando una muestra para descomponerla y acelerando después los iones a través de un campo magnético hasta que llegan a un colector. El tiempo que transcurre entre la ionización y la recolección de cada ion es proporcional a su masa. Con un osciloscopio se obtiene el espectro de las masas de todos los iones producidos de cada muestra, desde el más ligero hasta el más pesado. En este espectrómetro de masa, su poder de resolución o de separación es su característica más importante. Existen equipos con poder de resolución capaz de distinguir entre isómeros atómicos.
Espectrometría de Emisión Atómica con plasma de acoplamiento inducido, ICP-AES. Esta técnica de análisis es muy similar a la anterior, es destructiva, requiere de extracción previa al análisis y difiere de la ICPMS en que el análisis se lleva a cabo utilizando las características de emisión de luz fluorescente en el espectro visible, después de que el espécimen es atomizado. Con esta técnica se pueden determinar una gran cantidad de trazas de metales y al igual que la anterior identifican elementos múltiples106 .
Cromatografía de Iones, IC. Este método puede utilizarse para determinar gran cantidad de aniones como compuestos de azufre, NO3 – , Cl –, Br –, F –, I –, HPO4 –, BrO3 –, etc., y cationes como NH4+, Na+, K+, Ca2+, Mg2+, a niveles inferiores a ppb. Su principio de medición consiste en una técnica cromatográfica líquida la cual se basa en un mecanismo de intercambio iónico y una detección conductométrica para la separación y cuantificación de los aniones y cationes. La muestra de iones se extrae de la columna de intercambio iónico, como bandas discretas basadas en su tiempo de retención y son cuantificadas por un detector de conductividad106.
Además de estas técnicas existen también técnicas analíticas para determinar compuestos orgánicos que frecuentemente se asocian con las partículas atmosféricas y que debido a su alto peso molecular y baja solubilidad requieren de un tratamiento especial. Estos compuestos orgánicos pueden ser Hidrocarburos Alifáticos (AHs) e Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (PAHs). Su análisis se lleva a cabo de la manera siguiente:
- Extracción del filtro de fibra de vidrio usando cloruro de metileno.
- Concentración del extracto en un evaporador rotatorio y colección en hexano.
- Purificación del extracto en una columna de alúmina o similar.
Obtención de dos fracciones:
– Fracción no polar, que contiene los AHs.
– Fracción polar que contiene los PAHs. - Separadas las fracciones, se analizan por medio de cromatografía de gases con una columna capilar y los compuestos se identifican utilizando espectrometría de masa107 .
Para mayor información sobre el monitoreo y análisis de contaminantes atmosféricos, existen, además de los documentos indicados en las secciones 3.2.1 y 3.2.2, estándares ISO y diversos manuales como los que se incluyen en las referencias bibliográficas número 29, 32 y 54.
REFERENCIAS
85- Referencia 53.
86- Referencia 53.
87- Referencia 2, págs. 30 y 31.
88- Referencia 53.
89- Referencia 53.
90- Referencia 2, págs. 30 y 31.
91- Referencia 53.
92- Referencia 34.
93- VDI: Manual de Control de Calidad del Aire. Preparado por la Comisión de Prevención de Contaminación del Aire, de la Asociación de Ingenieros Alemanes.
94- VDI: Manual de Control de Calidad del Aire. Preparado por la Comisión de Prevención de Contaminación del Aire, de la Asociación de Ingenieros Alemanes.
95- Referencia 1, vol. 3, pág. 21.
96- TEOM: Tapered Element Oscillating Microbalance. BAM: Beta – Particle Attenuation Monitor.
97- Referencia 1, vol. 3, pág. 12.
98- Referencia 1, vol. 3, pág. 22.
99- Referencia 1, vol. 3, pág. 23.
100- Referencia 34.
101- Referencia 1, vol. 3, pág. 23.
102- Referencia 1, vol. 3, págs. 23 y 24.
103- Referencia 1, vol. 3, págs. 23 y 24.
104- Referencia 34
105- Referencia 34.
106- Referencia 34.
Libro: Introducción al monitoreo atmosférico
Autoras: Ana Patricia Martinez – Isabelle Romien
Web: http://www.bvsde.ops-oms.org/sde/ops-sde/bvsde.shtml
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