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随着我国城市化进程的加快和人民生活水平的提高，轨道交通迎来了跨越式的发展，选择乘坐地铁的人数也随之增加，地铁目前已成为人们日常出行最常用的交通工具之一[1]。然而，随着地铁越来越普及，地铁站及地铁车厢中空气质量问题逐渐凸显出来，人们越来越注重地铁车厢环境的健康效应。
在地铁站及车厢中，常见的空气污染物主要有颗粒物(particulate matter，PM)、挥发性有机化合物(volatile organic compounds, VOCs)和细菌等[2]。其中VOCs是车厢内具有代表性的污染性气体，其来源广泛，成分复杂。大多数VOCs有令人不适的气味且会危害健康，对人体健康影响较大[3]。世界卫生组织(WHO)对VOCs的定义是指在熔点低于室温而沸点在50~260 ℃之间的挥发性有机化合物的总称[4]，包括烷烃类、烯烃类、芳烃类、醛类、醇类、酯类、酮类等[5]。根据WHO报道，VOCs中具有使人致癌的物质，例如三氯乙烯、苯、甲苯、二甲苯等[6]，这些物质会使人患呼吸道疾病[7]、神经系统障碍和诱发白血病[8]，甚至会致人死亡。
地铁站作为一种特殊的建筑，结构紧凑，通风性能差，污染物容易积聚[9]。许多研究[10-12]表明，地铁内的VOCs质量浓度有超标的现象。JI等[13]研究发现，南京地铁站内TVOCs的质量浓度为1 027.6~1 801.8 μg·m−3，超过国家标准限值。ZHANG等[14]测定了上海5个地铁站站台层的苯、甲苯、乙苯和二甲苯质量浓度值分别为(10.3±2.1)、(38.7±9.0)、(19.4±10.1)和(30.0±11.1) μg·m−3。PARK等[15]发现，韩国首尔地铁站甲醛污染水平为(15.4±7.2) μg·m−3，TVOCs污染水平为(169.5±55.6) μg·m−3。地铁内污染物质量浓度较高，会对人群健康造成影响[16-18]。NYSTRÖM等[19]通过对20名工作在地铁站的志愿者健康监测发现，地铁站内的VOCs污染会对人体呼吸道产生潜在影响。地铁车厢相对于地铁站而言环境更为密闭，车厢内部主要通过通风系统来对空气品质量进行调节[20]。FENG等[21]发现上海3条线路的地铁车厢VOCs污染水平为23.8~90.9 μg·m−3。CHEN等[22]对中国台湾北部地铁车厢TVOCs进行测定，冬季体积分数为6.4×10−8，夏季体积分数为7.38×10−7。GONG等[23]研究发现，列车内VOCs体积分数对人体的暴露水平为8.5×10−6~4.8×10−5，会对人群造成轻度致癌风险。
地铁站及车厢内VOCs来源一般分为内部来源和外界来源。内部来源通常有站内及车厢内的部分设施[24]和人员散发[25]。设施通过黏合剂材料和装饰材料挥发产生VOCs [26]。李人哲等[27]对轨道客车司机室内的VOCs进行溯源发现，内饰板散发的苯甲醛质量浓度为27.49 μg·m−3，对车内VOCs的来源贡献最大。已有研究[28]表明，人员散发对室内的VOCs质量浓度的贡献率约为40%。高峰期时随着人员的增多，VOCs的质量浓度也会增加[29]。GONG等[23]发现，车厢乘客数量从40人增加到200人，丙酮和丙烯醛的质量浓度从7.71 μg·m−3增至26.28 μg·m−3。外部来源主要由人员流动[30]和通风系统换气引起[31]。人员行走时，VOCs随空气流动扩散，造成其他地方污染增加。通风管理不当使外界高质量浓度VOCs进入地铁站或车厢内，也会导致VOCs污染水平升高[32]。由此可见，地铁车厢内VOCs质量浓度受许多因素综合影响[33]，故对地铁站及车厢内VOCs进行系统研究至关重要。但目前对VOCs种类、来源及影响因素并未进行全方面的报道较少。
本研究针对成都地铁部分线路和站点，通过采样泵和Tenax-TA采样管进行现场采样，用GC-MS分析地铁站台及车厢中VOCs的主要种类，探究人员密集程度与车厢内VOCs质量浓度的关系，分析通风系统对车厢内VOCs质量浓度的影响，探索地铁站内站厅层和站台层VOCs的空间分布变化并确定地铁站及车厢内VOCs的种类和影响因素，旨在为相关部门制定地铁系统VOCs污染防治相关政策提供数据支撑，从而有效控制地铁站以及车厢内VOCs质量浓度、降低乘客健康风险。
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为探究地铁站及车厢内的VOCs的具体种类及质量浓度，本研究按照成都地铁开通的时间顺序选取具有代表性的5条线路(开通日期依次为2010-09-27(1号线)、2016-01-01(4号线)、2017-12-06(7号线)、2020-09-27(18号线)和2020-12-18(6号线))进行采样(表1)。地铁车厢采样时刻包含高峰期(17:00—19:00)和非高峰期时段(14:00—16:00)，地铁车厢通风口采样时间均在非高峰期时段进行，且同步采样地铁车厢内空气。地铁车站的采样在非高峰期时段的站厅层以及站台层进行。所采样的站点均在7号线上，包含换乘站太平园站(3、7、10号线换乘)和西南交大站(6、7号线换乘)以及非换乘站八里庄站、槐树店站和九里堤站(表2)。 成都地铁线路图及开通日期见图1，地铁站示意图及站内采样点如图2所示。
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现场采集地铁站台以及车厢内的VOCs样品，所用采样装置包括采样导管、填充柱采样管(TENAX-TA 采样管，MARKS 英国)、恒流气体采样器(QC-2B 型，北京劳动保护研究所)以及CO2监测仪(HOBO MX1102A，美国)。采样导管由低吸附的聚四氟乙烯制成，出气口与填充柱采样管及恒流气体采样器相连。
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2021年9—11月，对成都地铁站进行50余次采样。采集样品前，先开启采样泵运行约30 s，流量设为0.3 L·min−1，确保采样导管中的非舱内气体排出，气体排出完毕，开始正式采样。使用 TENAX-TA 采样管采集空气中的 VOCs 组分，采样流速为0.3 L·min−1，采样时间为30 min，采样量为9 L。采样位置参照《室内空气质量标准》(GB/T 18883-2002)[34]中的相关要求。在车厢内采样时，采样点固定在车厢中部呼吸区区域(离地面约1 ~1.5 m高度处)；在车厢内通风口采样时，将采样点设置在通风口处；在站厅层采样时，采样点位于检票口处，高度约1~1.5 m处；在站台层采样时，采样点位于站台两侧的屏蔽门中间处，高度约1 m。仪器及现场采样位置见图3。每次测试使用2根未采样的TENAX-TA采样管作为空白样，以减少采样管本身的影响和分析过程中造成的样品污染。
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采用热脱附仪将TENAX-TA采样管吸附的VOCs脱离出来，再用GC-MS对物质进行分离和识别。热脱附分为2个阶段。在第1阶段，初始温度为40 ℃，保持3 min，此后，在8 min内，将温度升至160 ℃后保持2 min。在第2阶段，继续升温至240 ℃，并保持4 min。热脱附过程使用的载气为氮气，流量为55 mL·min−1。色谱仪被用来分离不同种类的物质，质谱仪以2.5 Hz的频率扫描整个范围，将所得光谱与原子发射光谱对比，来确认所测化合物的种类。
采用外部标线法对VOCs进行定量分析，向管中注入VOCs混合标准溶液，来制作标准曲线，对于苯、乙苯、甲苯、对/间二甲苯、乙酸乙酯、苯乙烯、邻二甲苯和十一烷8种物质使用标准溶液进行定量，其他VOCs使用甲苯标线进行定量。
为确保本实验结果的可重复性，随机选取2条线路进行平行样采样，平行样的采样结果表明平均相对标准偏差(RSD)小于14%，证实本实验具有较好的重复性。
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为保证数据的有效性，需要对检测出的原始数据进行处理。从数据中删去出峰时间小于7 min的物质，选出匹配度大于75%的物质进行定量分析。计算方法见式(1)。
式中：R(x)为检出率；F(x)时有机物被检出次数；N为检测总次数。
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本研究所测到的VOCs种类约为135种。根据式(1)计算出各个物质的检出率并由此确定VOCs种类(大约为54种)。根据化学官能团分类方法，检出地铁站台及车厢空气中存在烷烯烃类、苯系物、醛酮醇酯类和包含乙酸、癸酸等有机酸类物质的其他种类(图4)。其中检出种类最多的是烷烯烃类物质，占总VOCs种类的42.59%，其次是具有毒性的苯系物，占比为27.78%，剩余2类物质占比分别为20.37%和9.26%。图5展示出检出率为80%以上的物质，平均有20种。苯系物的检出率极高，其中检出率高达100%的苯乙烯、对二甲苯，均为对人体容易产生危害的苯系物。环己酮[35]、乙酸乙酯[36]是具有特殊气味的物质，容易对乘客乘车舒适性产生影响。图6反映了7号线的车厢内部、7号线九里堤站站台层和站厅层VOCs种类的对比情况。可以明显看出，车厢内部的烷烯烃、苯系物、醛酮醇脂类物质均高于站台层和站厅层。这可能是由于乘客在车厢内停留时间要高于在车站停留时间且车厢内设施与站台地铁站不同导致的。
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图7为车厢以及站台所得样品中检出率较高的20种物质的质量浓度分布图。由质量浓度检测结果可以看出，大部分物质质量浓度的分布范围比较集中。车厢内环戊硅氧烷的质量浓度最高，为11.104 μg·m−3；其次为甲苯，质量浓度为9.518 μg·m−3；最小的为二氯甲烷，质量浓度为0.011 μg·m−3。站台内质量浓度最高的为甲苯，质量浓度为5.064 μg·m−3；其次为2-乙基己醇，质量浓度为2.537 μg·m−3；最小的为二氯甲烷，质量浓度为0.085 μg·m−3。环戊硅氧烷一般来源于化妆品和护肤品中[37]。甲苯来源较为复杂，除了来源于油漆、黏合剂，还有一部分来源于乘客[25]，故质量浓度分布较大。由于二氯甲烷来源较为单一，只存在于油漆、涂料之中[33,38]，故质量浓度最少。除此之外，不同物质之间的平均质量浓度相差较大，苯系物平均质量浓度均较其他种类高。来源和散发强度不同都会导致平均质量浓度存在较大差异。CHAN等[39]得到广州地铁车厢内VOCs质量浓度为60.5 μg·m−3，其污染程度高于成都地铁。DO等[40]对比利时地铁车厢的研究发现，VOCs质量浓度为33 μg·m−3，这与本研究结果基本一致。李丽[41]得出上海地铁站台内VOCs质量浓度为(188±3.0) μg·m−3， HWANG等[42]分析了韩国地铁站台VOCs，测得VOCs质量浓度为(119.7±79.5) μg·m−3，高于本研究辨析出的成都地铁中VOCs各种污染物质量浓度之和。这可能是因为上海和韩国乘坐地铁人流量高导致的。通过将实测数据与国内外关于室内或乘用车VOCs质量浓度限制的相关标准进行对比(表3)，可以得出成都地铁VOCs质量浓度低于相关标准，说明成都地铁VOCs污染程度较轻。这可能是由于地铁系统采用机械通风，通风量通常比住宅及乘用车大得多，对污染物的稀释倍数较高所致。
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1)地铁车厢内不同时段对VOCs质量浓度的影响。不同路线车厢内部VOCs在不同时段的质量浓度对比结果如图8所示。由于6号线高峰期采样前采样管密封不严密，造成样品污染，故剔除了这一数据。除此之外，高峰期的VOCs质量浓度均略高于非高峰期。各种类VOCs对比结果如图9所示。高峰期的醛酮醇酯类物质质量浓度较高，原因在于乙酸正丁酯、壬醛等物质质量浓度较高。根据已有研究，乙酸正丁酯一般用于涂料之中[44]，壬醛多为人体散发成分之一[25]，丙酮也可以通过人体新陈代谢过程中排出[45]。在高峰期，车厢内人员密集，温度有升高的趋势[46]，即源数量增多且由于升温导致散发加强，故会造成高峰期时段VOCs质量浓度高。刘冰玉[29]的研究表明了车厢内VOCs质量浓度在人员拥挤情况下会存在超标现象。LI等[47]研究发现，苯和二甲苯在高峰期时质量浓度分别为(12.2±5.0) μg·m−3和(3.5±2.0) μg·m−3，非高峰期分别为(11.9±6.0) μg·m−3和(2.8±1.3) μg·m−3，同样说明了高峰期质量浓度要大于非高峰期。
2)车厢内部通风系统对VOCs质量浓度的影响。地铁车厢内的通风系统对车厢内VOCs的消除具有积极作用。除18号线之外，其余线路车厢内的通风系统送入车厢内部的VOCs质量浓度均低于同一时刻车厢内部(图10)。地铁通风系统对于VOCs的去除率可以达到18号线的相反结果。这可能是因为这条线路开通时间较晚，部分车厢内部座椅设施为软座，材料为人造革、蒙面纺织物，并没有使用与其他线路相同的塑料座椅，使得车厢内部的VOCs源减少。除此之外，18号线自天府机场站—三岔站行驶路线由地下变为地上，自三岔站—兴隆站由地上变为地下，地铁在经过地上路段停靠站台时开关屏蔽门，使得车厢内污染物质量浓度不仅受隧道内空气的影响外，还受到大气污染的影响。FENG等[21]研究表明地面的车厢VOCs质量浓度高于地下轨道车厢内的质量浓度。GONG等[48]研究也表明地下路段所测得的VOCs质量浓度要低于地上路段30%~40%。因此，18号线通风系统中VOCs质量浓度受到大气影响较大，在采样时段的通风口处污染物质量浓度略大于车厢内部。
3)站厅层和站台层的VOCs质量浓度的对比。由图11可以看出，乘客刷卡的站厅层的VOCs质量浓度要高于站台层。由于站厅层设施较站台层更多，且站厅层与大气相连通，易受到大气中VOCs质量浓度影响[49]。同时站厅层除了刷卡进站的乘客，还有相当大一部分是换乘的乘客，人员流动性比站台层更大一些，使得人员散发VOCs质量浓度增加，造成站厅层的VOCs质量浓度要高于站台层。太平园站VOCs质量浓度较高，这可能是由于太平园站为3、7、10号线3条线路换乘站，其站厅层相对其他站点的人员流动程度更大所导致的。而李丽[41]的研究与本研究结果相反，站台质量浓度(188±3.0) μg·m−3要高于站厅质量浓度(155±2.0) μg·m−3。这可能是由于上海站台层一般处于地下2~3层，人流量密度大，新风量有限，不足以稀释VOCs质量浓度，因而会造成站台质量浓度高于站厅质量浓度。
4)不同地铁线路车厢内VOCs种类的对比。1号线和18号线开通时间相隔10 a，且1号线与18号线有重合线路(火车南站到兴隆站)。1号线与18号线共同线路的非高峰时期地铁车厢内部VOCs种类对比结果如图12所示。可以看出，18号线的烷烯烃类物质和苯系物的质量浓度高于1号线。醛酮醇脂类物质和其他物质的质量浓度表现为1号线高于18号线。这2条线路车厢内苯系物浓度最高，车厢内的苯系物主要有苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯等。如图13所示，18号线车厢内的甲苯质量浓度为1号线车厢的2.49倍。甲苯的来源一般为黏合剂、油漆、香水[50]及人体散发等。1号线开通日期为2010年9月27日，开通至今已有12年，车厢内部散发甲苯质量浓度比18号线低。因此，尽管18号线车厢内散发VOCs的内部装饰较1号线少一些，其甲苯质量浓度仍然高于1号线。
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成都地铁承载人流密度高，为降低地铁站及车厢内空气中的VOCs质量浓度，避免危害人体健康。在以上研究的基础上，提出如下建议。
1)动态调节通风系统。在高峰期时段增大车厢内部通风量或增加新风量的占比；在非高峰时段，人员稀少，应减少通风降低能耗。
2)降低车厢VOCs散发。针对2020年和2021年新开通的地铁线路，车厢内饰散发高质量浓度的VOCs，可采取布置吸附材料等措施来降低VOCs的质量浓度。
3)增加空气净化系统。地铁站与室外大气环境进行空气交换，会将室外高质量浓度VOCs引入站内。通过室外VOCs监测，当质量浓度高于站内时，可开启净化系统，净化换入站内的空气以降低VOCs污染。
本研究对成都地铁车站及车厢VOCs进行了实测并得出一些结果，但仍存在一些局限性。首先，成都地铁共有12条线路，本研究只选择其中的5条具有代表性的线路进行实测，未来将会对其他线路进行深入研究。其次，本研究聚焦于地铁系统VOCs种类、质量浓度及影响因素，未对人员自身和设施散发的VOCs质量浓度进行测定，故本研究未准确判断这些因素的贡献。最后，室外大气环境对地铁系统VOCs有一定影响，但本研究未进行室内外同步采样。
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1)地铁系统内VOCs以烷烯烃类(占比为42.6%)为主，其次为苯系物(占比为27.8%)、醛酮醇酯类(占比为20.4%)和其他种类(占比为9.3%)。
2)人员密集程度会影响VOCs质量浓度的变化，整体表现为高峰时段车厢内的VOCs质量浓度(46.47±3.2) μg·m−3高于非高峰期时段VOCs的质量浓度(41.35±3.82) μg·m−3。
3)车厢内通风口的VOCs的质量浓度(39.07±6.64) μg·m−3较车厢内的质量浓度(42.22±3.36) μg·m−3略低，故机械通风可降低VOCs质量浓度。
4)地铁车站与大气环境相连通，且站厅层位置位于候车层上部，因此，站厅层VOCs质量浓度(44.99±13.84) μg·m−3高于站台层质量浓度(35.05±11.28) μg·m−3。
成都市地铁站及车厢内挥发性有机化合物种类探究及影响因素分析
Investigation of volatile organic compounds types in Chengdu metro stations and carriages and their influencing factor analysis
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摘要: 为探究成都地铁站及车厢内部挥发性有机化合物(VOCs)种类、来源及影响因素，使用恒流气体采样器和TENAX-TA 采样管，对不同路线不同人流量期间地铁车厢内、车厢通风口和站台内部（站厅层和站台层）空气进行采样，利用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)对车厢内VOCs进行分析。结果表明：地铁站及车厢内部VOCs主要以烷烯烃类和苯系物为主，分别占污染物种类的42.59%和27.78%；高峰期时段车厢内VOCs整体质量浓度(46.47±3.2) μg·m−3略高于非高峰期时段(41.35±3.82) μg·m−3；地铁机械通风系统可以有效稀释车厢内VOCs质量浓度；站厅层VOCs质量浓度(44.99±13.84) μg·m−3高于站台层的质量浓度(35.05±11.28) μg·m−3。由此可以看出，成都地铁内VOCs污染种类受人员密集、大气环境和通风设施等综合因素影响。本研究成果可为西南地区地铁系统VOCs污染的监管和防治提供数据支撑，亦可为相关部门提高地铁内部空气质量、降低乘客健康风险决策的制定提供参考。Abstract: Aiming to investigate the types, sources, and influencing factors of volatile organic compounds (VOCs) inside Chengdu metro stations and carriages, a constant flow gas sampler and a TENAX-TA sampling tube were used to sample the air inside the metro carriages, at the carriage vents, and inside the platforms (station hall layer and platform layer) during different pedestrian flows on different routes. The sampled VOCs were analyzed by using a gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The results showed that the VOCs inside the stations and carriages were mainly alkyl olefins and benzenes, accounting for 42.59% and 27.78% of the air pollutants, respectively. The total VOCs mass concentration in the carriages was (46.47±3.2) μg·m−3 during peak hours, which was slightly higher than (41.35±3.82) μg·m−3 during off-peak hours. The mechanical ventilation system of the metro could effectively dilute the VOCs mass concentration in the carriages. The VOCs mass concentration at the station hall layer was (44.99±13.84) μg·m−3, which was higher than (35.05±11.28) μg·m−3 at the platform layer. VOCs pollution in the Chengdu metro was comprehensively influenced by diverse factors such as people flow, atmospheric environment, and ventilation facilities. This study can provide a support for the regulation and prevention of VOCs pollution in the metro system in Southwest China, also provide a reference for making decisions to improve the air quality inside the metro and reduce health risks to passengers.
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图 5 地铁站及车厢内高检出率VOCs物质种类
Figure 5. VOCs with high detection rate in metro stations and carriages
图 6 地铁站及车厢内VOCs种类对比
Figure 6. Comparison of VOCs types in metro stations and carriages
图 8 不同线路在不同时段VOCs质量浓度对比
Figure 8. Comparison of VOCs mass concentrations in different lines during different periods
图 9 不同时段各种类VOCs质量浓度对比
Figure 9. Comparison of VOCs mass concentrations during different periods
图 10 通风口与车厢内VOCs质量浓度对比
Figure 10. Comparison of VOCs mass concentrations in vents and compartments
图 11 站厅层与站台层质量浓度对比
Figure 11. Comparison of mass concentration at station hall layers and platform layers
图 12 1号线和18号线VOCs成分对比
Figure 12. Comparison of VOCs composition between line 1 and line 18
图 13 1号线和18号线VOCs中苯系物成分对比
Figure 13. Comparison of Benzene composition in VOCs on line 1 and line 18
表 1 采样线路、采样时刻及路段范围
Table 1. Sampling lines, sampling moments and section ranges
采样线路 非高峰期
采样时刻高峰期
采样时刻采样路段 1号线 14:00—16:00 17:00—19:00 高新站—麓湖站 4号线 14:00—16:00 17:00—19:00 玉双路站—非遗公园站 6号线 14:00—16:00 17:00—19:00 西南交大站—金石路站 7号线 14:00—16:00 17:00—19:00 花照壁站—琉璃场站 18号线 14:00—16:00 17:00—19:00 孵化园站—三岔站 
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表 2 7号线地铁站采样情况
Table 2. Sampling information of line 7 metro stations
采样站点 非高峰期采样时刻 是否为换乘站 九里堤站 14:00—16:00 否 西南交大站 14:00—16:00 是(与6号线换乘) 槐树店站 14:00—16:00 否 八里庄站 14:00—16:00 否 太平园站 14:00—16:00 是(与3、10号线换乘)
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表 3 成都地铁系统VOCs浓度与国内外相关规范中质量浓度限制比较
Table 3. Comparison of VOCs mass concentrations in the metro system and limits in relevant standards
种类 车厢质量浓度/
(μg·m−3)站台质量浓度/
(μg·m−3)GB/T 18883-2002[34]
质量浓度限制/(μg·m−3)GB/T 27630-2011[43]
质量浓度限制/(μg·m−3)WHO质量浓度限制/
(μg·m−3)苯 1.13~2.35 0.78~1.55 110 110 — 甲苯 2.34~5.07 3.82~9.52 200 1 100 — 二甲苯 0.62~5.16 0.29~9.28 200 1 500 4 800 乙苯 0.55~2.13 0.73~2.75 — 1 500 — 苯乙烯 0.55~1.56 0.59~1.42 — 260 260 注：GB/T 18883-2002为室内空气质量标准；其余2类分别为中国和WHO的乘用车空气质量标准。
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