JP6606070B2 - プリントデジタルマイクロ流体装置、その使用方法および製造方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2013年10月23日出願の「PRINTED DIGITAL MICROFLUIDIC DEVICES METHODS OF USE AND MANUFACTURE THEREOF」と題する米国特許仮出願第61/894,827号の優先権を主張する。この出願の全内容が参照により本明細書に組み入れられる。
本開示はデジタルマイクロ流体装置および方法に関する。
本開示の態様は、プリント法によって作製され得るデジタルマイクロ流体アレイであって、デジタルマイクロ流体電極アレイがインクジェット印刷のようなプリント法によって適当な基材上にプリントされている、デジタルマイクロ流体アレイである。いくつかの態様において、基材および/またはインクは、たとえば表面エネルギーの変化によって、電極アレイのプリントを支持するように前処理または改質される。いくつかの態様において、多孔質および/または繊維質の基材は、バリア層の付加によって、または、たとえば、表面がプリントされた電極を支持することができるようにするための適当な材料の付加もしくは浸潤によって前処理される。
その上に電極を支持するように適合された表面を有する多孔質基材;
該多孔質基材上にプリントされたデジタルマイクロ流体電極のアレイ;および
該デジタルマイクロ流体電極のアレイをコートする誘電体層であって、該誘電体層の表面が疎水性である、誘電体層
を含み、
電極間トレンチ深さおよび電極間トレンチ幅ならびに該デジタルマイクロ流体電極のアレイの表面粗さが、電気的駆動下、電極間で小滴を輸送するのに適している、
デジタルマイクロ流体装置が提供される。
基材を提供する工程;
該基材上に、デジタルマイクロ流体電極のアレイを導電性インクでプリントする工程;および
該デジタルマイクロ流体電極のアレイを、疎水性表面を有する誘電体層でコートする工程
を含み、
該基材が、該デジタルマイクロ流体電極のアレイをコートした後の該デジタルマイクロ流体装置の表面粗さが約1ミクロン未満となるような表面粗さを有し;
該導電性インクおよび該基材の表面特性が、該基材上にプリントされた導電性インクの小滴の表面エネルギーが該電極を形成するのに適当であるように選択される、
方法が提供される。
その上に電極を支持するように適合された表面を有する多孔質基材;
該多孔質基材上に形成されたデジタルマイクロ流体電極のアレイ;および
該デジタルマイクロ流体電極のアレイをコートする誘電体層であって、該誘電体層の表面が疎水性である、誘電体層
を含み、
電極間トレンチ深さおよび電極間トレンチ幅ならびに該デジタルマイクロ流体電極のアレイの表面粗さが、電気的駆動下、電極間で小滴を輸送するのに適している、
デジタルマイクロ流体装置が提供される。
その上に電極を支持するように適合された表面を有する多孔質基材;
該多孔質基材上にプリントされたデジタルマイクロ流体電極のアレイ;および
該デジタルマイクロ流体電極のアレイをコートする誘電体層であって、該誘電体層の表面が疎水性である、誘電体層
を含み、
電極間トレンチ深さおよび電極間トレンチ幅ならびに該デジタルマイクロ流体電極のアレイの表面粗さが、電気的駆動下、電極間で小滴を輸送するのに適している、
デジタルマイクロ流体装置。
[本発明1002]
多孔質基材が、
多孔質材料から形成された多孔質層;および
該多孔質層上に提供されたバリア層であって、その上に電極を形成するのに適したバリア材料から形成されている、バリア層
を含む、本発明1001のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1003]
多孔質基材の少なくとも上部が浸潤されている、本発明1001のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1004]
電極間トレンチ幅が約5〜100ミクロンの間である、本発明1001〜1003のいずれかのデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1005]
電極間トレンチ幅が約5〜50ミクロンの間である、本発明1001〜1004のいずれかのデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1006]
電極間トレンチ幅が約60〜90ミクロンの間である、本発明1001〜1005のいずれかのデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1007]
電極間トレンチ深さが約1ミクロン未満である、本発明1001〜1006のいずれかのデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1008]
電極間トレンチ深さが約500nm未満である、本発明1007のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1009]
デジタルマイクロ流体電極のアレイの表面粗さが約500nm未満である、本発明1001〜1008のいずれかのデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1010]
デジタルマイクロ流体電極のアレイの表面粗さが約100nm未満である、本発明1009のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1011]
多孔質層が繊維質材料を含む、本発明1002のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1012]
繊維質材料が紙ベース材料である、本発明1011のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1013]
繊維質材料がセルロース系材料を含む、本発明1012のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1014]
繊維質材料が合成繊維質材料である、本発明1011のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1015]
バリア層がカオリンおよびラテックスを含む、本発明1002のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1016]
バリア層が多孔質層上に直接形成されている、本発明1002のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1017]
デジタルマイクロ流体電極のアレイがバリア層上に直接形成されている、本発明1002のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1018]
バリア層が第一のバリア層であり、多孔質層が親水性層であり、多孔質基材が、該親水性層の下に第二のバリア層をさらに含む、本発明1002のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1019]
第一のバリア層の少なくとも一部分が除去され、それによって親水性層の領域を露出させている、本発明1018のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1020]
前記領域が、親水性層中に形成されたエレクトロスプレーチップである、本発明1019のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1021]
前記領域がデジタルマイクロ流体電極のアレイのうちの1つの電極の下に位置し、該電極に開口部が形成されて該領域を露出させている、本発明1019のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1022]
親水性層がマイクロチャネルを含み、該マイクロチャネルが、前記開口部に接触する小滴と流体連通している、本発明1021のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1023]
マイクロチャネルが、親水性層内に形成された疎水性壁によって画定されている、本発明1022のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1024]
親水性層がラテラルフローチャネルを含み、該ラテラルフローチャネルが、前記開口部に接触する小滴と流体連通している、本発明1021のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1025]
マイクロチャネルの一部分が前記開口部に隣接している、本発明1022のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1026]
前記開口部の下の親水性層の露出された領域が疎水性壁によって包囲され、それによって該開口部の下に親水性パッドを形成している、本発明1021のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1027]
親水性パッドが乾燥試薬を含む、本発明1026のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1028]
親水性パッドが乾燥試料を含む、本発明1026のデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1029]
デジタルマイクロ流体装置から離間した関係で提供されたトッププレートをさらに含む、デジタルマイクロ流体装置であって、該トッププレートが、誘電体層でコートされた少なくとも一つの電極を含み、該誘電体層が疎水性表面を有する、本発明1001〜1028のいずれかのデジタルマイクロ流体装置。
[本発明1030]
デジタルマイクロ流体装置を作製する方法であって、該方法が
基材を提供する工程;
該基材上に、デジタルマイクロ流体電極のアレイを導電性インクでプリントする工程;および
該デジタルマイクロ流体電極のアレイを、疎水性表面を有する誘電体層でコートする工程
を含み、
該基材が、該デジタルマイクロ流体電極のアレイをコートした後の該デジタルマイクロ流体装置の表面粗さが約1ミクロン未満となるような表面粗さを有し;
該導電性インクおよび該基材の表面が、該基材上にプリントされた導電性インクの小滴の表面エネルギーが該電極を形成するのに適当であるように選択される、方法。
[本発明1031]
デジタルマイクロ流体電極のアレイをプリントする工程の前に、基材上にプリントされた導電性インクの小滴の表面エネルギーが該電極を形成するのに適当であるように前記表面の表面化学的性質を改変する工程をさらに含む、本発明1030の方法。
[本発明1032]
デジタルマイクロ流体電極のアレイをプリントする工程の前に、基材上にプリントされた導電性インクの小滴の表面エネルギーが該電極を形成するのに適当であるように前記表面の表面化学的性質を改変する工程をさらに含む、本発明1030または1031の方法。
[本発明1033]
基材の表面粗さが約1ミクロン未満である、本発明1030〜1032のいずれかの方法。
[本発明1034]
基材が、その上にバリア層が提供された多孔質層を含む多孔質基材である、本発明1030〜1033のいずれかの方法。
[本発明1035]
基材が多孔質基材であり、該多孔質基材の少なくとも上部が、ある材料で浸潤されている、本発明1030〜1033のいずれかの方法。
[本発明1036]
基材が絶縁体から形成されている、本発明1030〜1033のいずれかの方法。
[本発明1037]
絶縁体がガラスである、本発明1036の方法。
[本発明1038]
基材が半導体から形成されている、本発明1030〜1033のいずれかの方法。
[本発明1039]
基材がポリマーから形成されている、本発明1030〜1033のいずれかの方法。
[本発明1040]
デジタルマイクロ流体電極のアレイがインクジェットプリンタでプリントされる、本発明1030〜1039のいずれかの方法。
[本発明1041]
デジタルマイクロ流体電極のアレイが、スクリーン印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、オフセットリソグラフィー、マイクロコンタクトプリントおよびエアゾールジェット印刷からなる群から選択されるプリント法でプリントされる、本発明1030〜1039のいずれかの方法。
[本発明1042]
ポリマーが、ポリエステル、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート(PET)およびポリエチレンナフタレート(PEN)からなる群から選択される、本発明1039の方法。
[本発明1043]
導電性インクが金属ナノ粒子を含む、本発明1030〜1042のいずれかの方法。
[本発明1044]
導電性インクが有機ポリマーインクを含む、本発明1030〜1042のいずれかの方法。
[本発明1045]
その上に電極を支持するように適合された表面を有する多孔質基材;
該多孔質基材上に形成されたデジタルマイクロ流体電極のアレイ;および
該デジタルマイクロ流体電極のアレイをコートする誘電体層であって、該誘電体層の表面が疎水性である、誘電体層
を含み、
電極間トレンチ深さおよび電極間トレンチ幅ならびに該デジタルマイクロ流体電極のアレイの表面粗さが、電気的駆動下、電極間で小滴を輸送するのに適している、
デジタルマイクロ流体装置。
本開示の機能的および有利な局面のさらなる理解は、以下の詳細な説明および図面を参照することによって達成されることができる。
以下に記す詳細を参照しながら本開示の様々な態様および局面を説明する。以下の詳細な説明および図面は、本開示を説明するものであり、本開示を限定するものと解釈されてはならない。本開示の様々な態様の徹底的な理解を提供するために数多くの具体的な詳細を記載する。しかし、場合によっては、本開示の態様の簡潔な説明を提供するため、周知の詳細または従来的な詳細は記載しない。
別段に指定されない限り、試薬は、Sigma-Aldrich(Oakville, ON)から購入したものであった。脱イオン(DI)水は、25℃で18MΩ・cmの抵抗率を有するものであった。Pluronic L64(BASF Corp., Germany)は、寛大にもBrenntag Canada(Toronto, ON)から寄与していただいた。装置プリントのための多層コート紙基材は、Abo Akademi University(フィンランド)のM. Toivakka教授[27]からありがたく提供していただいた。オンチップ試薬溶液は、販売者から入手したもの、または学内でカスタムメイドしたものであった。販売者からの試薬は、Abbott Laboratories(Abbott Park, IL)からの風疹IgG標準試薬および風疹ウイルスコート常磁性マイクロ粒子ならびにThermo Fischer Scientific(Rockford, IL)からの、安定な過酸化物(H2O2)およびルミノール-Enhancer溶液を含むSuperSignal ELISA Femto化学発光基質を含む。カスタムDMF適合性洗浄バッファおよびコンジュゲート希釈剤を前記[24、26]のように調製した。使用前に、4%ウシ血清アルブミン(BSA)および化学発光基質を含むダルベッコリン酸緩衝生理食塩水(DPBS)中に希釈した風疹IgG標準試薬をPluronic L64それぞれ0.05%および0.025%v/vで補足した。セイヨウワサビペルオキシダーゼ(HRP)コンジュゲートヤギポリクローナル抗ヒトIgG(16ng/mL)をコンジュゲート希釈剤中に希釈することによってコンジュゲート作業溶液を形成した。マイクロ粒子をペレット化し、洗浄し、Thermo Fischer Scientific(Rockford, IL)からのSuperblock TBS中に1.5×108個/mLで再懸濁させることにより、マイクロ粒子作業懸濁液を形成した。
コンタクトパッドに接続された銀駆動電極およびリザーバのアレイをインクジェット印刷することによって紙DMF装置を形成した。図1Aおよび1Bは、そのような基材の代表的な写真を含む。図示するように、二つの異なる設計を使用した。設計Aは、五つのリザーバ電極(4.17×4.17mm)および19の駆動電極(1.65×1.65mm)を含み、設計Bは、八つのリザーバ電極(5.6×5.6mm)および38の駆動電極(2.16×2.16mm)を含む。実際には、各紙基材が装置ボトムプレートを形成し、それを導電性トッププレートと接合して、それらの間に挟まれた400〜800nLの滴を操作した。
紙上にインクジェット印刷された銀の長さ2cm/150μmトレースの導電率(5、10または15秒間焼結したのち)をFluke 179 True RMS Digital Multimeterによって計測した。九つのトレースを条件ごとに評価した(三つの別々の装置で三つ)。三つの紙および三つのクロム・オン・ガラス装置の場合に、設計Aの全電極に関してコンタクトパッドと駆動電極との間の抵抗を計測した。図9に示すように、インクジェット印刷されたトレースの抵抗は焼結時間の関数として低下し、図10に示すように、これらのトレースは、標準的なフォトリソグラフィー法(すなわち、クロム・オン・ガラス)によって作製された同一設計の装置の抵抗の500倍の低さである抵抗を有することがわかった。
走査型電子顕微鏡法(SEM)を使用して、ここで使用した紙装置の表面形状を評価した(図11Aおよび11B)。図示するように、インクジェット印刷された紙装置上の銀層の厚さは500nm未満であり、それは、PCBから形成された装置上に一般に見られる電極の厚さ10〜30μmよりもずっと薄い(PCBベースDMF装置上の電極間の深い「トレンチ」は滴の移動にとって問題となることが報告されている[19〜21]ことに留意すること)。原子間力顕微鏡法(AFM)を使用して表面粗さを評価して、紙基材上の被覆なしの銀の場合の表面粗さ(Ra)Ra≒250nmならびにParylene-CおよびTeflon付着後の銀−紙基材の場合の表面粗さ(Ra)Ra<100nmを明らかにした。これらの値は、PCB DMF装置に関して報告されている数値[18〜20]よりも一桁ないし二桁小さい。
HRP標準試薬の滴(0.05%v/vのL64で補足されたDPBS中100μU/mL)および洗浄バッファの滴をリザーバから分注し、混合して連続希釈(1×、2×、4×)を作成した。その後、SuperSignal化学発光基質1滴を分注し、HRPの各希釈滴と混合し、プールした滴を40秒間混合し、検出区域に駆動し、2分後、H10682-110 PMT(Hamamatsu Photonics K.K.., Hamamatsu, Japan)を用いて発光を計測した。各条件を3回繰り返した。
紙DMFを使用して複雑なアッセイ開発の実現可能性を探り、安価な診断検査としてのこれらの装置の適性を実証するための第二の試験として、風疹IgGサンドイッチELISAを実施することを選択した。三日ばしかとも知られる風疹は、風疹ウイルスによって引き起こされる疾患である。後天性である場合にはほとんど合併症を呈しないが、先天性風疹症候群は、失明、聴覚消失および妊娠中絶をはじめとする深刻な発育欠陥を引き起こす可能性がある[23]。
Claims (29)
- その上に電極を支持するように適合された表面を有する多孔質基材であって、
多孔質材料から形成された多孔質層;および
該多孔質層上に提供されたバリア層であって、その上に電極を形成するのに適したバリア材料から形成されている、バリア層
を含む、多孔質基材;
該多孔質基材上にプリントされたデジタルマイクロ流体電極のアレイ;および
該デジタルマイクロ流体電極のアレイをコートする誘電体層であって、該誘電体層の表面が疎水性である、誘電体層
を含む、大気環境で作動可能であるデジタルマイクロ流体装置であって、
該多孔質基材上にプリントされた該デジタルマイクロ流体電極の該アレイをコートする該誘電体層の表面粗さが、電気的駆動下、該デジタルマイクロ流体電極間で小滴を輸送するのに適するように、1ミクロン未満であり、該バリア層が第一のバリア層であり、該多孔質層が親水性層であり、かつ該多孔質基材が該親水性層の下に第二のバリア層をさらに含む、
デジタルマイクロ流体装置。 - 多孔質基材の少なくとも上部が浸潤されている、請求項1に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 前記デジタルマイクロ流体電極のアレイが、約5〜100ミクロンの間である幅を有する電極間トレンチを含む、請求項1〜2のいずれか一項に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 前記電極間トレンチ幅が約5〜50ミクロンの間である、請求項3に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 前記電極間トレンチ幅が約60〜90ミクロンの間である、請求項3に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 前記デジタルマイクロ流体電極のアレイが約1ミクロン未満である深さを有する電極間トレンチを含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 電極間トレンチ深さが約500nm未満である、請求項6に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- デジタルマイクロ流体電極のアレイの表面粗さが約500nm未満である、請求項1〜7のいずれか一項に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- デジタルマイクロ流体電極のアレイの表面粗さが約100nm未満である、請求項8に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 多孔質層が、紙ベース材料である繊維質材料を含む、請求項1に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 繊維質材料がセルロース系材料を含む、請求項10に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 多孔質層が、合成繊維質材料である繊維質材料を含む、請求項1に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- バリア層がカオリンおよびラテックスを含む、請求項1に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- バリア層が多孔質層上に直接形成されている、請求項1に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- デジタルマイクロ流体電極のアレイがバリア層上に直接形成されている、請求項1に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 第一のバリア層の少なくとも一部分が除去され、それによって親水性層の領域を露出させている、請求項1に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 前記領域が、親水性層中に形成されたエレクトロスプレーチップである、請求項16に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 前記領域がデジタルマイクロ流体電極のアレイのうちの1つの電極の下に位置し、該電極に開口部が形成されて該領域を露出させている、請求項16に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 親水性層がマイクロチャネルを含み、該マイクロチャネルが、前記開口部に接触する小滴と流体連通している、請求項18に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- マイクロチャネルが、親水性層内に形成された疎水性壁によって画定されている、請求項19に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 親水性層がラテラルフローチャネルを含み、該ラテラルフローチャネルが、前記開口部に接触する小滴と流体連通している、請求項18に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- マイクロチャネルの一部分が前記開口部に隣接している、請求項19に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 前記開口部の下の親水性層の露出された領域が疎水性壁によって包囲され、それによって該開口部の下に親水性パッドを形成している、請求項18に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 親水性パッドが乾燥試薬を含む、請求項23に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- 親水性パッドが乾燥試料を含む、請求項23に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- デジタルマイクロ流体装置から離間した関係で提供されたトッププレートをさらに含む、デジタルマイクロ流体装置であって、該トッププレートが、誘電体層でコートされた少なくとも一つの電極を含み、該誘電体層が疎水性表面を有する、請求項1〜25のいずれか一項に記載のデジタルマイクロ流体装置。
- その上に電極を支持するように適合された表面を有する多孔質基材であって、
多孔質材料から形成された多孔質層;および
該多孔質層上に提供されたバリア層であって、その上に電極を形成するのに適したバリア材料から形成されており、該バリア層が第一のバリア層であり、多孔質層が親水性層であり、多孔質基材が、該親水性層の下に第二のバリア層をさらに含み、第一のバリア層の少なくとも一部分が除去され、それによって親水性層の領域を露出させており、該領域が、親水性層中に形成されたエレクトロスプレーチップである、バリア層
を含む、多孔質基材;
該多孔質基材上にプリントされたデジタルマイクロ流体電極のアレイ;および
該デジタルマイクロ流体電極のアレイをコートする誘電体層であって、該誘電体層の表面が疎水性である、誘電体層
を含み、
電極間トレンチ深さおよび電極間トレンチ幅ならびに該デジタルマイクロ流体電極のアレイの表面粗さが、電気的駆動下、電極間で小滴を輸送するのに適している、
デジタルマイクロ流体装置。 - その上に電極を支持するように適合された表面を有する多孔質基材であって、
多孔質材料から形成された多孔質層;および
該多孔質層上に提供されたバリア層であって、その上に電極を形成するのに適したバリア材料から形成されており、該バリア層が第一のバリア層であり、多孔質層が親水性層であり、多孔質基材が、該親水性層の下に第二のバリア層をさらに含み、第一のバリア層の少なくとも一部分が除去され、それによって親水性層の領域を露出させている、バリア層
を含む、多孔質基材;
該多孔質基材上にプリントされたデジタルマイクロ流体電極のアレイであって、該親水性層の該領域がデジタルマイクロ流体電極のアレイのうちの1つの電極の下に位置し、該電極に開口部が形成されて該領域を露出させており、前記開口部の下の親水性層の露出された領域が疎水性壁によって包囲され、それによって該開口部の下に親水性パッドを形成しており、親水性パッドが乾燥試薬を含む、デジタルマイクロ流体電極のアレイ;および
該デジタルマイクロ流体電極のアレイをコートする誘電体層であって、該誘電体層の表面が疎水性である、誘電体層
を含み、
電極間トレンチ深さおよび電極間トレンチ幅ならびに該デジタルマイクロ流体電極のアレイの表面粗さが、電気的駆動下、電極間で小滴を輸送するのに適している、
デジタルマイクロ流体装置。 - その上に電極を支持するように適合された表面を有する多孔質基材であって、
多孔質材料から形成された多孔質層;および
該多孔質層上に提供されたバリア層であって、その上に電極を形成するのに適したバリア材料から形成されており、該バリア層が第一のバリア層であり、多孔質層が親水性層であり、多孔質基材が、該親水性層の下に第二のバリア層をさらに含み、第一のバリア層の少なくとも一部分が除去され、それによって親水性層の領域を露出させている、バリア層
を含む、多孔質基材;
該多孔質基材上にプリントされたデジタルマイクロ流体電極のアレイであって、該親水性層の該領域がデジタルマイクロ流体電極のアレイのうちの1つの電極の下に位置し、該電極に開口部が形成されて該領域を露出させており、前記開口部の下の親水性層の露出された領域が疎水性壁によって包囲され、それによって該開口部の下に親水性パッドを形成しており、親水性パッドが乾燥試料を含む、デジタルマイクロ流体電極のアレイ;および
該デジタルマイクロ流体電極のアレイをコートする誘電体層であって、該誘電体層の表面が疎水性である、誘電体層
を含み、
電極間トレンチ深さおよび電極間トレンチ幅ならびに該デジタルマイクロ流体電極のアレイの表面粗さが、電気的駆動下、電極間で小滴を輸送するのに適している、
デジタルマイクロ流体装置。
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