JP7031166B2 - Microchannel device and image forming device - Google Patents

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Description

本開示は、マイクロ流路デバイス及び画像形成装置に関する。 The present disclosure relates to microchannel devices and image forming devices.

近年、微細加工技術により物理的に加工される流路を含むマイクロチップが、化学、バイオ、又は医療分野における分析技術用のデバイスとして提案されている(例えば、特許文献1,2参照)。 In recent years, a microchip including a flow path physically processed by microfabrication technology has been proposed as a device for analytical technology in the fields of chemistry, biotechnology, or medical treatment (see, for example, Patent Documents 1 and 2).

特開2005-007529号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-007529 特開2005-000744号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-000744

しかし、特許文献1,2に記載のような従来技術は、数百μmサイズの高精度な流路パターンが物理的に加工されるマイクロチップが要求される。よって、加工時間に非常に長い時間を要するだけでなく、チップ単位の流路パターンの変更が高コストなものとなっている。したがって、上記に記載のような従来技術では、低コスト且つ迅速に流路パターンを形成可能なマイクロ流路デバイスを提供することができない恐れがある。 However, the prior art as described in Patent Documents 1 and 2 requires a microchip in which a highly accurate flow path pattern having a size of several hundred μm is physically processed. Therefore, not only the processing time requires a very long time, but also the change of the flow path pattern for each chip is costly. Therefore, the prior art as described above may not be able to provide a microchannel device capable of forming a channel pattern at low cost and quickly.

本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、低コスト且つ迅速に流路パターンを形成させることができるようにするものである。 The present disclosure has been made in view of such a situation, and is intended to enable the formation of a flow path pattern at low cost and quickly.

本開示の第1の側面であるマイクロ流路デバイスは、基材を含むマイクロ流路デバイスであって、前記基材の上に層が形成されるものであり、前記層の表面は、流体が流れる流路を含む第1の領域と、前記第1の領域に隣接する第2の領域との間が面一に形成されるものであり、前記第1の領域と流体との接触角をθaとし、前記第2の領域と流体との接触角をθa’とし、全体境界条件式を満足するものであって、前記全体境界条件式は、θa’-θa>45°で表され、前記第1の領域と前記第2の領域とを流体の進行方向で繰り返しパターンにしつつ、前記第1の領域の割合を流体の進行方向にいくに従い増加するように形成する。 The microchannel device according to the first aspect of the present disclosure is a microchannel device containing a substrate, in which a layer is formed on the substrate, and a fluid is formed on the surface of the layer. The first region including the flow path and the second region adjacent to the first region are formed flush with each other, and the contact angle between the first region and the fluid is set to θa. The contact angle between the second region and the fluid is θa', and the whole boundary condition equation is satisfied. The whole boundary condition equation is expressed by θa'−θa> 45 °. The first region and the second region are formed in a repeating pattern in the traveling direction of the fluid, and the ratio of the first region is formed so as to increase in the traveling direction of the fluid .

また、前記第1の領域と流体との接触角であるθaは第1の境界条件式を満足するものであって、前記第1の境界条件式は、θa<90°で表されるものであり、前記第2の領域と流体との接触角であるθa’は第2の境界条件式を満足するものであって、前記第2の境界条件式は、θa’>90°で表されるものである、ことが好ましい。 Further, θa, which is the contact angle between the first region and the fluid, satisfies the first boundary condition equation, and the first boundary condition equation is expressed by θa <90 °. There, θa', which is the contact angle between the second region and the fluid, satisfies the second boundary condition equation, and the second boundary condition equation is expressed by θa'> 90 °. It is preferable that it is a thing.

また、前記流路の垂直方向の断面に沿って、前記流路の中心から離れるにつれ、前記層の表面と流体との接触角が大きくなる、ことが好ましい。 Further, it is preferable that the contact angle between the surface of the layer and the fluid increases as the distance from the center of the flow path increases along the vertical cross section of the flow path.

また、前記流路を流れる流体の進行方向に沿って、前記流路が下流側であるにつれ、前記層の表面と流体との接触角が小さくなる、ことが好ましい。 Further, it is preferable that the contact angle between the surface of the layer and the fluid becomes smaller as the flow path is downstream along the traveling direction of the fluid flowing through the flow path.

また、前記層は、前記基材の表面上に形成される光触媒の薄膜である、ことが好ましい。 Further, the layer is preferably a thin film of a photocatalyst formed on the surface of the base material.

また、前記薄膜は、金属ナノ粒子を含む、ことが好ましい。 Further, it is preferable that the thin film contains metal nanoparticles.

また、前記金属ナノ粒子は、金のナノ粒子を含む、ことが好ましい。 Further, it is preferable that the metal nanoparticles include gold nanoparticles.

また、前記金属ナノ粒子は、アルミニウムのナノ粒子を含む、ことが好ましい。 Further, it is preferable that the metal nanoparticles include aluminum nanoparticles.

また、本開示の第2の側面である画像形成装置は、露光装置を備える画像形成装置であって、前記露光装置は、照射光を照射自在であって、前記照射光により上記に記載のマイクロ流路デバイスに形成される前記流路を形成する。 Further, the image forming apparatus according to the second aspect of the present disclosure is an image forming apparatus including an exposure apparatus, and the exposure apparatus is capable of irradiating irradiation light with the irradiation light described above. The flow path formed in the flow path device is formed.

本開示の第1及び第2の側面によれば、低コスト且つ迅速に流路パターンが形成されるものである。 According to the first and second aspects of the present disclosure, the flow path pattern is formed at low cost and quickly.

本開示を適用した実施形態1に係るマイクロ流路デバイス1の概略図である。It is a schematic diagram of the microchannel device 1 which concerns on Embodiment 1 to which this disclosure is applied. 実施形態1に係るマイクロ流路デバイス1の断面図である。It is sectional drawing of the micro flow path device 1 which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る層5の表面と液体との接触角θを説明する図である。It is a figure explaining the contact angle θ between the surface of the layer 5 and the liquid which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る層5の表面のぬれ性の差異により生じる流路を流れる流体Fの駆動力の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the driving force of the fluid F flowing through the flow path caused by the difference in the wettability of the surface of the layer 5 which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る層5の表面と流路を流れる流体Fとの接触角θ1,θ2の差異により生じる流体Fの駆動力の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the driving force of the fluid F generated by the difference of contact angles θ1 and θ2 between the surface of the layer 5 which concerns on Embodiment 1 and the fluid F flowing through a flow path. 実施形態1に係る第1の領域K及び第2の領域Jのパターンの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the pattern of the 1st region K and the 2nd region J which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る第1の領域K及び第2の領域Jのパターンの他の一例を示す図である。It is a figure which shows another example of the pattern of the 1st region K and the 2nd region J which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る第1の領域K及び第2の領域Jのパターンのさらに他の一例を示す図である。It is a figure which shows still another example of the pattern of the 1st region K and the 2nd region J which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係る金属ナノ粒子9を含むマイクロ流路デバイス1の断面図の一例である。It is an example of the cross-sectional view of the microchannel device 1 containing the metal nanoparticles 9 according to the first embodiment. 本開示を適用した実施形態2に係る画像形成装置50の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the image forming apparatus 50 which concerns on Embodiment 2 to which this disclosure is applied.

以下、図面に基づいて本開示の実施形態を説明するが、本開示は以下の実施形態に限られるものではない。なお、本開示の実施形態の説明で使用されているように、「構成する」、「より成る」、「含む」、「含んでいる」、「有する」、「備える」又はそれらの他の何らかの同義語は、非排他的な包含関係を含むように意図される。例えば、要素の列挙を含むプロセス、方法、物品又は装置は、それらの要素だけに限定されることは必須でなく、明示的には列挙されていない又は本来備わっているはずの他の要素が、そのようなプロセス、方法、物品又は装置に含まれてもよい。さらに、明示的に言及しない限り、「又は」は包括的なものであり、排他的な和ではない。例えば、「条件A又はB」は、Aが存在し且つBが存在しない場合、Aが存在せず且つBが存在する場合、AもBも両方とも存在する場合の何れの場合でも満たされるものである。 Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings, but the present disclosure is not limited to the following embodiments. It should be noted that, as used in the description of embodiments of the present disclosure, "consisting", "consisting", "including", "containing", "having", "providing" or any other of them. Synonyms are intended to include non-exclusive inclusion relationships. For example, a process, method, article or appliance that includes an enumeration of elements is not required to be limited to those elements alone, but other elements that are not explicitly enumerated or should be inherent. It may be included in such a process, method, article or appliance. Moreover, unless explicitly stated, "or" is comprehensive and not an exclusive sum. For example, "condition A or B" is satisfied in any case where A exists and B does not exist, A does not exist and B exists, and both A and B exist. Is.

実施形態1.
図1は、本開示を適用した実施形態1に係るマイクロ流路デバイス1の概略図である。図2は、実施形態1に係るマイクロ流路デバイス1の断面図である。図1,2に示すように、マイクロ流路デバイス1は、基材3を含むものであって、基材3の上に層5が形成されるものである。基材3は、特に限定されるものではなく、例えば、ガラス、金属、樹脂、又はセラミックス等のようなものを使用することができる。層5の表面は、第1の領域Kと、第2の領域Jとを含む。第1の領域Kは、流体Fが流れる流路を含む。第2の領域Jは、第1の領域Kに隣接する。図1のA-A線に沿った断面図である図2に示すように、第1の領域Kと、第2の領域Jとの間は面一に形成されるものである。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a schematic diagram of a microchannel device 1 according to the first embodiment to which the present disclosure is applied. FIG. 2 is a cross-sectional view of the microchannel device 1 according to the first embodiment. As shown in FIGS. 1 and 2, the microchannel device 1 includes a base material 3, and a layer 5 is formed on the base material 3. The base material 3 is not particularly limited, and for example, glass, metal, resin, ceramics, or the like can be used. The surface of layer 5 includes a first region K and a second region J. The first region K includes a flow path through which the fluid F flows. The second region J is adjacent to the first region K. As shown in FIG. 2, which is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 1, the first region K and the second region J are formed flush with each other.

図3は、実施形態1に係る層5の表面と液体との接触角θを説明する図である。図3に示すように、ぬれとは気体である蒸気と固体である層5との界面が、液体と固体である層5との界面に置換される現象のことであって、接触角θが小さい場合にはぬれやすい状態を表し、接触角θが大きい場合にはぬれにくい状態を表す。第1の領域Kと、第2の領域Jとにより流路を形成するためには、第1の領域Kと流体Fとの接触角θaと、第2の領域Jと流体Fとの接触角θa’とで差異を生じさせるのが好ましい。例えば、接触角θaと接触角θa’との差異が小さければ、第1の領域Kと、第2の領域Jとはほぼ同じぬれ性を示すことになる。この場合、流路としての境界が曖昧になる。また、接触角θaと接触角θa’との差異が大きく、且つ接触角θa’と比べて接触角θaの方が小さい場合、液体はぬれやすい方に留まるため、流路を含む第1の領域Kに流体Fが留まる。よって、第1の領域Kに流路を形成するためには、接触角θaと接触角θa’との差異が大きく、且つ接触角θa’と比べて接触角θaの方が小さい方が好ましい。 FIG. 3 is a diagram illustrating a contact angle θ between the surface of the layer 5 and the liquid according to the first embodiment. As shown in FIG. 3, wetting is a phenomenon in which the interface between the vapor as a gas and the layer 5 as a solid is replaced with the interface between the liquid and the layer 5 as a solid, and the contact angle θ is. When it is small, it indicates a state in which it is easy to get wet, and when the contact angle θ is large, it indicates a state in which it is difficult to get wet. In order to form a flow path by the first region K and the second region J, the contact angle θa between the first region K and the fluid F and the contact angle between the second region J and the fluid F It is preferable to make a difference with θa'. For example, if the difference between the contact angle θa and the contact angle θa'is small, the first region K and the second region J show substantially the same wettability. In this case, the boundary as a flow path becomes ambiguous. Further, when the difference between the contact angle θa and the contact angle θa'is large and the contact angle θa is smaller than the contact angle θa', the liquid stays on the side where it is easy to get wet, so that the first region including the flow path is included. The fluid F stays in K. Therefore, in order to form the flow path in the first region K, it is preferable that the difference between the contact angle θa and the contact angle θa'is large, and the contact angle θa is smaller than the contact angle θa'.

具体的には、基材3と液体とのぬれ性、すなわち親水性及び疎水性を利用することにより、物理的な境界を設けることなく流路としての機能を発現させている。より具体的には、基材3に特殊な表面加工等がされていない場合、水溶液の液滴を滴下すると液体の表面張力と基材3の表面エネルギーから接触角θは約55°以上となり、液滴の状態で安定する。一方、基材3の表面の一部に親水加工を施すことにより基材3の表面エネルギーを低下させ、液体が抵抗無く流れていくときの接触角θは10°以下である。よって、本発明者等が鋭意検討した結果、流路を含む第1の領域Kは、接触角θaが10°以下であって、且つ流路を含まない第2の領域Jは、接触角θa’が約55°以上であれば、液体が第2の領域Jにもれることなく第1の領域K内を流れていくことができるとの知見を得て、その知見に基づき本開示を適用した実施形態1に係るマイクロ流路デバイス1を完成させた。 Specifically, by utilizing the wettability between the base material 3 and the liquid, that is, hydrophilicity and hydrophobicity, the function as a flow path is exhibited without providing a physical boundary. More specifically, when the base material 3 is not specially surface-processed, when a droplet of the aqueous solution is dropped, the contact angle θ becomes about 55 ° or more due to the surface tension of the liquid and the surface energy of the base material 3. Stable in the state of droplets. On the other hand, the surface energy of the base material 3 is reduced by subjecting a part of the surface of the base material 3 to hydrophilicity, and the contact angle θ when the liquid flows without resistance is 10 ° or less. Therefore, as a result of diligent studies by the present inventors, the first region K including the flow path has a contact angle θa of 10 ° or less, and the second region J not including the flow path has a contact angle θa. We have obtained the finding that if'is about 55 ° or more, the liquid can flow in the first region K without leaking to the second region J, and the present disclosure is applied based on that finding. The microchannel device 1 according to the first embodiment was completed.

つまり、接触角θa及び接触角θa’において、全体境界条件式を満足するものであって、全体境界条件式は、接触角θa’-接触角θa>45°で表されるものである。さらに、接触角θaは、第1の境界条件式を満足するものであって、第1の境界条件式は、接触角θa<90°で表されるものである。接触角θa’は、第2の境界条件式を満足するものであって、第2の境界条件式は、接触角θa’>90°で表されるものである。具体的には、ぬれは、接触角θを用いて3種類に分類することができる。接触角θは、液体を基材3のような固体表面に滴下したときの、液体の接線と、固体表面とのなす角度を表すものとする。接触角θ≒0°の場合、拡張ぬれと呼び、液体が固体表面をどこまでも広がっていく状態を表す。接触角θ=0°~90°の場合、浸漬ぬれと呼び、液体の広がりが0°<接触角θ≦90°のどこかで安定になる状態を表す。接触角θ>90°である場合、付着ぬれと呼び、ぬれが進行しない状態を表す。よって、第1の領域Kは、流路を含むものであるため、液体のぬれが進行することが求められる。そこで接触角θa≒0°又は0°<接触角θa≦90°が望ましい。一方、第2の領域Jは、流路外であって、第1の領域Kからのぬれの進行を食い止めることが求められるため、接触角θa’>90°であることが望ましい。したがって、第1の領域Kと第2の領域Jとにおいて、接触角θを90°を境に区分することで、ぬれの進行特性を明確に分けることが可能となる。 That is, the contact angle θa and the contact angle θa ′ satisfy the overall boundary condition equation, and the overall boundary condition equation is expressed by the contact angle θa ′ − contact angle θa> 45 °. Further, the contact angle θa satisfies the first boundary condition expression, and the first boundary condition expression is expressed by the contact angle θa <90 °. The contact angle θa'satisfies the second boundary condition expression, and the second boundary condition expression is expressed by the contact angle θa'> 90 °. Specifically, wetting can be classified into three types using the contact angle θ. The contact angle θ represents the angle formed by the tangent line of the liquid and the solid surface when the liquid is dropped on the solid surface such as the base material 3. When the contact angle θ ≈ 0 °, it is called extended wetting, and represents a state in which the liquid spreads forever on the solid surface. When the contact angle θ = 0 ° to 90 °, it is called immersion wetting, and represents a state in which the spread of the liquid becomes stable somewhere where 0 ° <contact angle θ ≦ 90 °. When the contact angle θ> 90 °, it is called adherent wetting and represents a state in which wetting does not progress. Therefore, since the first region K includes the flow path, it is required that the liquid is wetted. Therefore, it is desirable that the contact angle θa ≈ 0 ° or 0 ° <contact angle θa ≦ 90 °. On the other hand, since the second region J is outside the flow path and is required to stop the progress of wetting from the first region K, it is desirable that the contact angle θa'> 90 °. Therefore, by dividing the contact angle θ at the boundary of 90 ° in the first region K and the second region J, it is possible to clearly separate the progress characteristics of wetting.

図4は、実施形態1に係る層5の表面のぬれ性の差異により生じる流路を流れる流体Fの駆動力の一例を示す図である。図5は、実施形態1に係る層5の表面と流路を流れる流体Fとの接触角θ1,θ2の差異により生じる流体Fの駆動力の一例を示す図である。流路の垂直方向の断面に沿って、流路の中心Cから離れるにつれ、層5の表面と流体Fとの接触角θが大きくなる。一方、流路を流れる流体Fの進行方向に沿って、流路が下流側であるにつれ、層5の表面と流体Fとの接触角θが小さくなる。つまり、図4に示すようなぬれ性の傾斜がある場合、滴下した液体の接触角θは場所に応じて異なり、図5に示すように、接触角θ1と接触角θ2とは、接触角θ1>接触角θ2となる。よって、接触角θ2の方に駆動力が働くため、液滴が接触角θ2の側に移動する。 FIG. 4 is a diagram showing an example of the driving force of the fluid F flowing through the flow path caused by the difference in the wettability of the surface of the layer 5 according to the first embodiment. FIG. 5 is a diagram showing an example of the driving force of the fluid F generated by the difference in the contact angles θ1 and θ2 between the surface of the layer 5 and the fluid F flowing through the flow path according to the first embodiment. Along the vertical cross section of the flow path, the contact angle θ between the surface of the layer 5 and the fluid F increases as the distance from the center C of the flow path increases. On the other hand, as the flow path is on the downstream side along the traveling direction of the fluid F flowing through the flow path, the contact angle θ between the surface of the layer 5 and the fluid F becomes smaller. That is, when there is a wetting slope as shown in FIG. 4, the contact angle θ of the dropped liquid differs depending on the location, and as shown in FIG. 5, the contact angle θ1 and the contact angle θ2 are the contact angle θ1. > The contact angle θ2. Therefore, since the driving force acts toward the contact angle θ2, the droplet moves to the side of the contact angle θ2.

なお、ぬれ性の傾斜は連続的である必要はない。単位面積当たりのぬれ性の平均値が単調に減少すればよい。例えば、第1の領域Kと、第2の領域Jとを利用して親水領域と疎水領域とを粗密の繰り返しパターンで実現してもよい。図6は、実施形態1に係る第1の領域K及び第2の領域Jのパターンの一例を示す図である。図7は、実施形態1に係る第1の領域K及び第2の領域Jのパターンの他の一例を示す図である。図8は、実施形態1に係る第1の領域K及び第2の領域Jのパターンのさらに他の一例を示す図である。図6の一例においては、接触角θaの領域の割合を流体Fの進行方向に従い末広がりに形成することにより流体Fに駆動力を発現させている。図7,8の一例においては、接触角θaの領域の割合を流体Fの進行方向に従い増加するように形成することにより流体Fに駆動力を発現させている。 The slope of wettability does not have to be continuous. It suffices if the average value of wettability per unit area decreases monotonically. For example, the hydrophilic region and the hydrophobic region may be realized in a coarse and dense repeating pattern by utilizing the first region K and the second region J. FIG. 6 is a diagram showing an example of a pattern of the first region K and the second region J according to the first embodiment. FIG. 7 is a diagram showing another example of the pattern of the first region K and the second region J according to the first embodiment. FIG. 8 is a diagram showing still another example of the patterns of the first region K and the second region J according to the first embodiment. In one example of FIG. 6, the driving force is expressed in the fluid F by forming the ratio of the region of the contact angle θa in a divergent manner according to the traveling direction of the fluid F. In the examples of FIGS. 7 and 8, the driving force is expressed in the fluid F by forming the ratio of the region of the contact angle θa so as to increase according to the traveling direction of the fluid F.

図9は、実施形態1に係る金属ナノ粒子9を含むマイクロ流路デバイス1の断面図の一例である。図9に示すように、層5は、基材3の表面上に形成される光触媒の薄膜であって、金属ナノ粒子9を含む。金属ナノ粒子9は、金のナノ粒子又はアルミニウム等のようなナノ粒子を含む。流路は、光触媒の薄膜に紫外光が照射されて形成されるものである。光触媒の薄膜は、特に限定はないが、例えば、酸化チタン、窒素ドープ酸化チタン、炭素ドープ酸化チタン、硫黄ドーム酸化チタン、又は酸化亜鉛等を用いることができる。特に、コスト、ハンドリング性、及び安全性等のように触媒効率向上の観点からは、酸化チタンが望ましい。光触媒の薄膜は、スパッタ又は蒸着等により作成されるものであり、成膜した状態では疎水性を示し、紫外光を照射することで触媒効果が発現し超親水性を示す。紫外光は、UVレーザーによる照射、マスクパターンを作成してUVランプを照射する等のような各種照射方法がある。 FIG. 9 is an example of a cross-sectional view of the microchannel device 1 containing the metal nanoparticles 9 according to the first embodiment. As shown in FIG. 9, the layer 5 is a thin film of a photocatalyst formed on the surface of the base material 3 and contains metal nanoparticles 9. The metal nanoparticles 9 include nanoparticles of gold or nanoparticles such as aluminum. The flow path is formed by irradiating a thin film of a photocatalyst with ultraviolet light. The thin film of the photocatalyst is not particularly limited, and for example, titanium oxide, nitrogen-doped titanium oxide, carbon-doped titanium oxide, sulfur dome titanium oxide, zinc oxide, or the like can be used. In particular, titanium oxide is desirable from the viewpoint of improving catalyst efficiency such as cost, handleability, and safety. The thin film of the photocatalyst is formed by sputtering, vapor deposition, or the like, and exhibits hydrophobicity in the film-formed state, and exhibits a catalytic effect by irradiating with ultraviolet light and exhibits superhydrophilicity. There are various irradiation methods for ultraviolet light, such as irradiation with a UV laser and irradiation with a UV lamp by creating a mask pattern.

光触媒は紫外光が照射されることにより触媒機能が発現するものであるが、そのままでは照射された光に対して利用効率は低い。そこで、光触媒に金属ナノ粒子9を含ませる。金属ナノ粒子9は、特に限定はないが、プラズモン光をより効果的に利用する観点からは、プラズモンを起こす物質のナノ粒子を含ませるのが望ましい。金属ナノ粒子9は、銀、金、銅、若しくはアルミニウム、又はこれらを含むあらゆる合金を含むことが望ましく、特に、金のナノ粒子又はアルミニウムのナノ粒子が望ましい。なお、アルミニウムのナノ粒子の粒径は、プラズモン光の吸収効率を考慮すると100nm以下が望ましい。また、図9に示すように、金属ナノ粒子9は、光触媒の薄膜である層5の上に析出させるのが望ましい。このような構成により、紫外光を照射された照射領域に含まれる金属ナノ粒子9近傍で発生したプラズモン光が光触媒に作用し、層5の一部は親水性に変化する。一方、紫外光が照射されない非照射領域は疎水性の状態を維持するため、紫外光の照射領域が第1の領域Kとして形成され、紫外光の非照射領域が第2の領域Jとして形成される。 The photocatalyst exhibits its catalytic function when irradiated with ultraviolet light, but its utilization efficiency is low with respect to the irradiated light as it is. Therefore, the photocatalyst contains the metal nanoparticles 9. The metal nanoparticles 9 are not particularly limited, but from the viewpoint of more effectively using plasmon light, it is desirable to include nanoparticles of a substance that causes plasmon. It is desirable that the metal nanoparticles 9 contain silver, gold, copper, or aluminum, or any alloy containing these, and in particular, gold nanoparticles or aluminum nanoparticles are desirable. The particle size of the aluminum nanoparticles is preferably 100 nm or less in consideration of the absorption efficiency of plasmon light. Further, as shown in FIG. 9, it is desirable that the metal nanoparticles 9 are deposited on the layer 5 which is a thin film of the photocatalyst. With such a configuration, the plasmon light generated in the vicinity of the metal nanoparticles 9 included in the irradiation region irradiated with ultraviolet light acts on the photocatalyst, and a part of the layer 5 changes to hydrophilicity. On the other hand, in order to maintain the hydrophobic state in the non-irradiated region not irradiated with ultraviolet light, the irradiated region of ultraviolet light is formed as the first region K, and the non-irradiated region of ultraviolet light is formed as the second region J. Ru.

次に、従来例について具体的に説明する。近年、微小な流路又はバルブ若しくはポンプ等をシリコン又はガラスの基板上に集積したマイクロチップは、化学、バイオ、又は医療分野における分析技術に応用する研究として盛んに検討されている。また、マイクロチップの市場は、年率20%で拡大成長しており、分析用途以外にも体外診断、医薬品の研究、又はドラッグデリバリー等への応用展開も期待されている。従来において、射出成形又はリソグラフィー等で流路を形成したマイクロチップが提供されている。従来技術においては、特定の型を作成してそれを流路形成の基材3に転写して形成されるものがある。このような従来技術においては、最初に流路パターンの型を作成し、それを複製するための同一仕様のマイクロチップを大量に生成するには理にかなうものである。しかし、流路パターンの型を転写するものであるため、個々に流路パターンに変化を持たせることは高コストであり、且つ製造工程が多いことからマイクロチップの完成までには非常に長い時間を要するものである。 Next, a conventional example will be specifically described. In recent years, microchips in which minute flow paths, valves, pumps, etc. are integrated on a silicon or glass substrate have been actively studied as research applied to analytical techniques in the fields of chemistry, biotechnology, and medical care. In addition, the microchip market is expanding and growing at an annual rate of 20%, and is expected to be applied to in vitro diagnosis, drug research, drug delivery, etc. in addition to analytical applications. Conventionally, a microchip having a flow path formed by injection molding, lithography, or the like has been provided. In the prior art, there is one formed by creating a specific mold and transferring it to the base material 3 for forming a flow path. In such a prior art, it makes sense to first create a flow path pattern mold and then generate a large number of microchips of the same specifications to duplicate it. However, since the mold of the flow path pattern is transferred, it is costly to change the flow path pattern individually, and since there are many manufacturing processes, it takes a very long time to complete the microchip. Is required.

また、機械切削で流路形成を行ったり、マスクを利用したフォトリソグラフィーによるエッチングプロセスで形成されたりするものがある。このような従来技術においては、個々に流路パターンを形成することは可能であるが、切削プロセスは非常に高い精度が要求される機械加工になるため、大型の設備が必要であり、マイクロチップを1つ作成するだけで数日の時間を要する。また、リソグラフィーによる場合も設備投資が膨大であり、且つ流路パターンを露光した後のエッチング加工プロセスで時間を膨大に要する。要するに、従来技術は、高コストであって、多大な時間を要するものである。 In addition, some are formed by mechanical cutting to form a flow path, and some are formed by an etching process by photolithography using a mask. In such a conventional technique, it is possible to form a flow path pattern individually, but since the cutting process is machining that requires extremely high accuracy, large equipment is required and a microchip is required. It takes several days just to create one. Further, even in the case of lithography, the capital investment is enormous, and the etching processing process after exposing the flow path pattern requires an enormous amount of time. In short, the prior art is costly and time consuming.

このようなことを引き起こす最大の要因は、従来技術では、数百μmサイズの高精度な流路パターンを物理的に加工することでマイクロチップを形成している点にある。物理的に高精度な流路パターンを前提としているため、加工方法に制約が生じ、さらには加工時間又はチップ単位での流路パターンの可変対応不可ということになる。特に、体外診断又は研究開発においては多様な解析を行う必要があるため、流路パターンも適宜最適化を行った上で迅速に入手したいという要望がある。そのような要望に対し、従来技術では対応しきれていないのが現状である。 The biggest factor that causes such a thing is that in the prior art, a microchip is formed by physically processing a highly accurate flow path pattern having a size of several hundred μm. Since it is premised on a physically high-precision flow path pattern, there are restrictions on the processing method, and further, it is not possible to change the flow path pattern for each processing time or chip. In particular, since it is necessary to perform various analyzes in in vitro diagnosis or research and development, there is a demand for prompt acquisition after appropriately optimizing the flow path pattern. The current situation is that conventional technology cannot fully meet such demands.

そこで、本開示を適用した実施形態1に係るマイクロ流路デバイス1は、第1の領域Kと第2の領域Jとの間が面一に形成されるものであるため、切削による微細加工はされていない。また、第1の領域Kと、第2の領域Jとで接触角θの差異が45°以上であるため、第2の領域Jに比べ、第1の領域Kの方が表面エネルギーが低下する表面であって、流体Fは第1の領域Kには流れ、第2の領域Jには流れない。よって、切削による微細加工をすることなく、第1の領域Kと、第2の領域Jとで差異が45°以上となるような異なる接触角θが生じる表面にするだけで流体Fを流す流路パターンが形成される。したがって、低コスト且つ迅速に流路パターンを形成させることができる。 Therefore, in the microchannel device 1 according to the first embodiment to which the present disclosure is applied, the space between the first region K and the second region J is formed flush with each other, so that microfabrication by cutting can be performed. It has not been. Further, since the difference in contact angle θ between the first region K and the second region J is 45 ° or more, the surface energy of the first region K is lower than that of the second region J. On the surface, the fluid F flows into the first region K and does not flow into the second region J. Therefore, a flow in which the fluid F flows only on a surface having a different contact angle θ such that the difference between the first region K and the second region J is 45 ° or more without microfabrication by cutting. A road pattern is formed. Therefore, the flow path pattern can be formed quickly and at low cost.

また、本開示を適用した実施形態1に係るマイクロ流路デバイス1において、第1の領域Kと流体Fとの接触角θaは90°未満であるため、第1の領域Kは拡張ぬれ又は浸漬ぬれの状態である。よって、第1の領域Kでは液体によるぬれが進行する。一方、第2の領域Jと流体Fとの接触角θa’は90°を超えるため、第2の領域Jは付着ぬれの状態である。よって、第2の領域Jでは液体によるぬれが進行しないため、第1の領域Kからの液体によるぬれの進行を食い止めることができる。したがって、第1の領域Kと第2の領域Jとで接触角θを90°を境に区分することにより、液体ぬれの進行特性を明確に分けることができる。 Further, in the microchannel device 1 according to the first embodiment to which the present disclosure is applied, since the contact angle θa between the first region K and the fluid F is less than 90 °, the first region K is expanded wetting or immersion. It is in a wet state. Therefore, in the first region K, wetting by the liquid progresses. On the other hand, since the contact angle θa'between the second region J and the fluid F exceeds 90 °, the second region J is in a wet state. Therefore, since the wetting by the liquid does not proceed in the second region J, the progress of the wetting by the liquid from the first region K can be stopped. Therefore, by dividing the contact angle θ between the first region K and the second region J with 90 ° as a boundary, the progress characteristics of liquid wetting can be clearly separated.

また、本開示を適用した実施形態1に係るマイクロ流路デバイス1において、液体は、ぬれにくい領域からぬれやすい領域、つまり、接触角θの大きい領域から接触角θの小さい領域に向かって移動しようとする性質がある。よって、流路の垂直方向の断面に沿って、流路の中心Cから離れるにつれ、層5の表面と流体Fの接触角θが大きくなる構成であれば、流路の断面方向において流路を進行する流体Fの進行方向の中心軸に向かう力が働くことが可能となる。したがって、流路外に流体Fがもれるのを抑制することができる。 Further, in the microchannel device 1 according to the first embodiment to which the present disclosure is applied, the liquid will move from a region where it is difficult to get wet to a region where it is easy to get wet, that is, from a region where the contact angle θ is large to a region where the contact angle θ is small. It has the property of Therefore, if the contact angle θ between the surface of the layer 5 and the fluid F increases as the distance from the center C of the flow path increases along the vertical cross section of the flow path, the flow path is set in the cross section direction of the flow path. A force acting toward the central axis of the traveling fluid F in the traveling direction becomes possible. Therefore, it is possible to prevent the fluid F from leaking out of the flow path.

また、本開示を適用した実施形態1に係るマイクロ流路デバイス1において、液体は、ぬれにくい領域からぬれやすい領域、つまり、接触角θの大きい領域から接触角θの小さい領域に向かって移動しようとする性質がある。よって、流路を流れる流体Fの進行方向に沿って、流路が下流側であるにつれ、層5の表面と流体Fとの接触角θが小さくなる構成であれば、流路に滴下された流体Fが上流側から下流側に向かう駆動力が発生する。したがって、外部から流路上の液体に加圧等を加えなくても液体の搬送が可能となるため、ポンプ等のような駆動源の構成を簡略化することができる。 Further, in the microchannel device 1 according to the first embodiment to which the present disclosure is applied, the liquid will move from a region where it is difficult to get wet to a region where it is easy to get wet, that is, from a region where the contact angle θ is large to a region where the contact angle θ is small. It has the property of Therefore, if the contact angle θ between the surface of the layer 5 and the fluid F becomes smaller as the flow path is downstream along the traveling direction of the fluid F flowing through the flow path, the fluid is dropped into the flow path. A driving force is generated for the fluid F from the upstream side to the downstream side. Therefore, since the liquid can be conveyed without applying pressure to the liquid on the flow path from the outside, the configuration of a drive source such as a pump can be simplified.

また、本開示を適用した実施形態1に係るマイクロ流路デバイス1において、層5は、基材3の表面上に形成される光触媒の薄膜である。流路は、光触媒の薄膜に紫外光が照射されて形成されるものである。光触媒の薄膜は、紫外光が照射されることにより触媒効果が発現して超親水性を示すようになる。よって、光触媒の薄膜が基材3の表面上に形成されていれば、流路として形成する箇所に紫外光を照射するだけで照射箇所が親水性に変化し、流路として機能させることができる。 Further, in the microchannel device 1 according to the first embodiment to which the present disclosure is applied, the layer 5 is a thin film of a photocatalyst formed on the surface of the base material 3. The flow path is formed by irradiating a thin film of a photocatalyst with ultraviolet light. The thin film of the photocatalyst exhibits a catalytic effect when irradiated with ultraviolet light and becomes superhydrophilic. Therefore, if the thin film of the photocatalyst is formed on the surface of the base material 3, the irradiated portion changes to hydrophilicity only by irradiating the portion formed as the flow path with ultraviolet light, and the portion can function as a channel. ..

また、本開示を適用した実施形態1に係るマイクロ流路デバイス1において、薄膜は、金属ナノ粒子9を含む。つまり、金属ナノ粒子9と光触媒とを共存させることにより、金属ナノ粒子9の一部で起きるプラズモン共鳴が、光触媒における光の利用効率を飛躍的に向上させることができる。 Further, in the microchannel device 1 according to the first embodiment to which the present disclosure is applied, the thin film contains metal nanoparticles 9. That is, by coexisting the metal nanoparticles 9 and the photocatalyst, the plasmon resonance that occurs in a part of the metal nanoparticles 9 can dramatically improve the efficiency of light utilization in the photocatalyst.

また、本開示を適用した実施形態1に係るマイクロ流路デバイス1において、金属ナノ粒子9は、金のナノ粒子を含む。金のナノ粒子は助触媒として作用するため、光触媒の活性効率を高めることができる。よって、露光時間を短縮することができ、且つ光学系をコンパクト化することができる。 Further, in the microchannel device 1 according to the first embodiment to which the present disclosure is applied, the metal nanoparticles 9 include gold nanoparticles. Since the gold nanoparticles act as co-catalysts, the activity efficiency of the photocatalyst can be increased. Therefore, the exposure time can be shortened and the optical system can be made compact.

また、本開示を適用した実施形態1に係るマイクロ流路デバイス1において、金属ナノ粒子9は、アルミニウムのナノ粒子を含む。アルミニウムのナノ粒子は、紫外光領域でプラズモン共鳴を起こす物質である。アルミニウムのナノ粒子に紫外光が照射されると、プラズモン共鳴が発生することにより、アルミニウムのナノ粒子の近傍に照射された紫外光は、電場として留まる。このような電場は光触媒に作用するものである。よって、光触媒の活性効率を高めることができる。したがって、露光時間を短縮することができ、且つ光学系をコンパクト化することができる。 Further, in the microchannel device 1 according to the first embodiment to which the present disclosure is applied, the metal nanoparticles 9 include aluminum nanoparticles. Aluminum nanoparticles are substances that cause plasmon resonance in the ultraviolet region. When the aluminum nanoparticles are irradiated with ultraviolet light, plasmon resonance occurs, so that the ultraviolet light irradiated in the vicinity of the aluminum nanoparticles remains as an electric field. Such an electric field acts on the photocatalyst. Therefore, the activity efficiency of the photocatalyst can be increased. Therefore, the exposure time can be shortened and the optical system can be made compact.

実施形態2.
実施形態2においては、流路を形成する画像形成装置50について説明する。図10は、本開示を適用した実施形態2に係る画像形成装置50の構成例を示す図である。図10に示すように、画像形成装置50は、読取部511と、画像形成装置本体519とを備える。読取部511は、ADF511Aと、原稿読取部511Bとを備える。ADF511Aは、原稿トレイ513、通紙経路515、排紙トレイ517、密着型イメージセンサー521、及び濃度基準部材523等を備える。濃度基準部材523は、ADF511Aのシェーディング補正時に利用される。原稿読取部511Bは、原稿照明部525、反射ミラー526、集光レンズ527、センサー528、及びプラテンガラス529等を備える。読取部511は、原稿トレイ513にセットされている原稿を、1枚ずつ分離して繰り出し、密着型イメージセンサー521が配置されている通紙経路515に沿って副走査方向に搬送し、排紙トレイ517に排紙する。原稿照明部525は、ランプ525Aと、ミラー525Bとを備える。原稿は通紙経路515に沿って副走査方向に搬送されつつ、主走査方向のライン単位の読取動作が、原稿照明部525、反射ミラー526、集光レンズ527、及びセンサー528により繰り返し実行される。
Embodiment 2.
In the second embodiment, the image forming apparatus 50 forming the flow path will be described. FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of the image forming apparatus 50 according to the second embodiment to which the present disclosure is applied. As shown in FIG. 10, the image forming apparatus 50 includes a reading unit 511 and an image forming apparatus main body 519. The reading unit 511 includes an ADF 511A and a document reading unit 511B. The ADF511A includes a document tray 513, a paper passing path 515, a paper ejection tray 517, a close contact type image sensor 521, a density reference member 523, and the like. The density reference member 523 is used at the time of shading correction of ADF511A. The document reading unit 511B includes a document lighting unit 525, a reflection mirror 526, a condenser lens 527, a sensor 528, a platen glass 529, and the like. The reading unit 511 separates and feeds the documents set in the document tray 513 one by one, conveys them in the sub-scanning direction along the paper passing path 515 in which the close contact type image sensor 521 is arranged, and discharges the paper. The paper is discharged to the tray 517. The document illumination unit 525 includes a lamp 525A and a mirror 525B. While the document is conveyed in the sub-scanning direction along the paper path 515, the line-by-line reading operation in the main scanning direction is repeatedly executed by the document illumination unit 525, the reflection mirror 526, the condenser lens 527, and the sensor 528. ..

画像形成装置本体519は、画像形成部541、定着部543、及び給紙部545等を備える。画像形成部541は、露光装置551と、現像装置553と、感光ドラム555と、転写ベルト557とを備える。画像形成部541は、読取部511により読み取られた原稿の画像データに基づき、露光装置551により感光ドラム555に異なる色のトナーを供給して現像する。画像形成部541は、転写ベルト557により感光ドラム555に現像されたトナー像を給紙部545から供給された用紙に転写する。画像形成部541は、用紙に転写されたトナー像のトナーを定着部543で融解させることにより、用紙にカラー画像が定着する。 The image forming apparatus main body 519 includes an image forming unit 541, a fixing unit 543, a paper feeding unit 545, and the like. The image forming unit 541 includes an exposure device 551, a developing device 555, a photosensitive drum 555, and a transfer belt 557. The image forming unit 541 supplies toners of different colors to the photosensitive drum 555 by the exposure apparatus 551 and develops them based on the image data of the original document read by the reading unit 511. The image forming unit 541 transfers the toner image developed on the photosensitive drum 555 by the transfer belt 557 to the paper supplied from the paper feeding unit 545. The image forming unit 541 melts the toner of the toner image transferred to the paper at the fixing unit 543, so that the color image is fixed on the paper.

つまり、画像形成装置50は、露光装置551を備えるものであって、露光装置551は、照射光を照射自在である。よって、露光装置551は、照射光によりマイクロ流路デバイス1に形成される流路を形成するものである。具体的には、露光装置551は、光触媒の薄膜に照射光を照射することにより照射領域を親水領域に形成できるので、親水領域と疎水領域とを層5上に形成できる。しかも、露光装置551は、適宜照射光の照射位置を制御することができるため、任意の流路パターンを層5の表面上に形成することができる。したがって、画像形成装置50は、低コスト且つ迅速に流路パターンを形成することができる。 That is, the image forming apparatus 50 includes the exposure apparatus 551, and the exposure apparatus 551 can irradiate the irradiation light freely. Therefore, the exposure apparatus 551 forms a flow path formed in the micro flow path device 1 by the irradiation light. Specifically, since the exposure apparatus 551 can form the irradiation region in the hydrophilic region by irradiating the thin film of the photocatalyst with the irradiation light, the hydrophilic region and the hydrophobic region can be formed on the layer 5. Moreover, since the exposure apparatus 551 can appropriately control the irradiation position of the irradiation light, an arbitrary flow path pattern can be formed on the surface of the layer 5. Therefore, the image forming apparatus 50 can form the flow path pattern at low cost and quickly.

以上、本開示を適用したマイクロ流路デバイス1を実施形態に基づいて説明したが、本開示はこれに限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。 Although the microchannel device 1 to which the present disclosure is applied has been described above based on the embodiment, the present disclosure is not limited to this, and changes may be made without departing from the gist of the present disclosure. ..

例えば、本実施形態においては、層5の上が開放状態である一例について説明したが、特にこれに限定されるものではない。例えば、層5の上に、層5の縁に沿った枠を置き、さらにその枠の上に蓋として機能する部材を被せ、流路への異物の混入を防いでもよい。 For example, in the present embodiment, an example in which the upper layer 5 is in an open state has been described, but the present invention is not particularly limited to this. For example, a frame along the edge of the layer 5 may be placed on the layer 5, and a member functioning as a lid may be placed on the frame to prevent foreign matter from entering the flow path.

1 マイクロ流路デバイス、3 基材、5 層、9 金属ナノ粒子
50 画像形成装置
511 読取部、511A ADF、511B 原稿読取部、513 原稿トレイ
515 通紙経路、517 排紙トレイ、519 画像形成装置本体
521 密着型イメージセンサー、523 濃度基準部材
525 原稿照明部、525A ランプ、525B ミラー、526 反射ミラー
527 集光レンズ、528 センサー、529 プラテンガラス
541 画像形成部、543 定着部、545 給紙部
551 露光装置、553 現像装置、555 感光ドラム、557 転写ベルト
K 第1の領域、J 第2の領域、F 流体、C 中心
θ,θa,θa’,θ1,θ2 接触角
1 Microchannel device, 3 base material, 5 layers, 9 metal nanoparticles 50 image forming device 511 reading unit, 511A ADF, 511B document reading unit, 513 document tray 515 paper passing path, 517 paper ejection tray, 219 image forming device Main body 521 Adhesion type image sensor, 523 Concentration standard member 525 Original lighting unit, 525A lamp, 525B mirror, 526 Reflection mirror 527 Condensing lens, 528 sensor, 259 Platen glass 541 Image forming unit, 543 Fixing unit, 545 Paper feed unit 551 Exposure device, 555 developing device, 555 photosensitive drum, 557 transfer belt K 1st region, J 2nd region, F fluid, C center θ, θa, θa', θ1, θ2 Contact angle

Claims (9)

基材を含むマイクロ流路デバイスであって、
前記基材の上に層が形成されるものであり、
前記層の表面は、
流体が流れる流路を含む第1の領域と、前記第1の領域に隣接する第2の領域との間が面一に形成されるものであり、
前記第1の領域と流体との接触角をθaとし、前記第2の領域と流体との接触角をθa’とし、全体境界条件式を満足するものであって、
前記全体境界条件式は、
θa’-θa>45°で表され、
前記第1の領域と前記第2の領域とを流体の進行方向で繰り返しパターンにしつつ、前記第1の領域の割合を流体の進行方向にいくに従い増加するように形成する、
マイクロ流路デバイス。
A microchannel device containing a substrate,
A layer is formed on the base material, and the layer is formed.
The surface of the layer is
A first region including a flow path through which a fluid flows and a second region adjacent to the first region are formed flush with each other.
The contact angle between the first region and the fluid is θa, the contact angle between the second region and the fluid is θa', and the whole boundary condition equation is satisfied.
The whole boundary condition expression is
Represented by θa'-θa> 45 ° ,
The first region and the second region are repeatedly patterned in the traveling direction of the fluid, and the ratio of the first region is formed so as to increase in the traveling direction of the fluid.
Micro flow path device.
前記第1の領域と流体との接触角であるθaは第1の境界条件式を満足するものであって、
前記第1の境界条件式は、
θa<90°で表されるものであり、
前記第2の領域と流体との接触角であるθa’は第2の境界条件式を満足するものであって、
前記第2の境界条件式は、
θa’>90°で表されるものである、
請求項1に記載のマイクロ流路デバイス。
Θa, which is the contact angle between the first region and the fluid, satisfies the first boundary condition equation.
The first boundary condition expression is
It is expressed by θa <90 ° and is expressed by θa <90 °.
Θa', which is the contact angle between the second region and the fluid, satisfies the second boundary condition equation.
The second boundary condition expression is
It is represented by θa'> 90 °,
The microchannel device according to claim 1.
前記流路の垂直方向の断面に沿って、前記流路の中心から離れるにつれ、前記層の表面と流体との接触角が大きくなる、
請求項1又は2に記載のマイクロ流路デバイス。
Along the vertical cross section of the flow path, the contact angle between the surface of the layer and the fluid increases as the distance from the center of the flow path increases.
The microchannel device according to claim 1 or 2.
前記流路を流れる流体の進行方向に沿って、前記流路が下流側であるにつれ、前記層の表面と流体との接触角が小さくなる、
請求項1~3の何れか一項に記載のマイクロ流路デバイス。
The contact angle between the surface of the layer and the fluid becomes smaller as the flow path is downstream along the traveling direction of the fluid flowing through the flow path.
The microchannel device according to any one of claims 1 to 3.
前記層は、
前記基材の表面上に形成される光触媒の薄膜である、
請求項1~4の何れか一項に記載のマイクロ流路デバイス。
The layer is
A thin film of photocatalyst formed on the surface of the substrate.
The microchannel device according to any one of claims 1 to 4.
前記薄膜は、
金属ナノ粒子を含む、
請求項5に記載のマイクロ流路デバイス。
The thin film is
Contains metal nanoparticles,
The microchannel device according to claim 5.
前記金属ナノ粒子は、
金のナノ粒子を含む、
請求項6に記載のマイクロ流路デバイス。
The metal nanoparticles are
Contains gold nanoparticles,
The microchannel device according to claim 6.
前記金属ナノ粒子は、
アルミニウムのナノ粒子を含む、
請求項6に記載のマイクロ流路デバイス。
The metal nanoparticles are
Contains aluminum nanoparticles,
The microchannel device according to claim 6.
露光装置を備える画像形成装置であって、
前記露光装置は、
照射光を照射自在であって、前記照射光により請求項5~8の何れか一項に記載のマイクロ流路デバイスに形成される前記流路を形成する、
画像形成装置。
An image forming apparatus equipped with an exposure apparatus, which is an image forming apparatus.
The exposure apparatus is
The flow path is freely irradiated with the irradiation light, and the irradiation light forms the flow path formed in the micro flow path device according to any one of claims 5 to 8.
Image forming device.
JP2017155521A 2017-08-10 2017-08-10 Microchannel device and image forming device Active JP7031166B2 (en)

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