KR100724099B1 - Microfluidic Mixer using Multiple Microchannel array and Manufacturing Method therefor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 미세 유체 믹서장치에 관한 것으로, 서로 다른 성질을 띤 미세 유체를 혼합시키기 위한 장치를 일반 상용 유리기판에 펨토초(Femto second) 레이저를 이용하여 미세 가공하고 이를 접합시킴으로써 이루어지는 간단한 구조의 미세유체 믹서장치의 제조에 관한 것으로서, 신개념의 장치 제작 기술로써 의료 및 의학분야에서 응용하고 있는 미세유체공학(microfluidics) 기반 기술을 미세유체 믹서에 도입함으로써, 간단한 다중 미세채널을 이용하여 두 미세유체를 쉽게 혼합할 수 있도록 한 점이 특징이며, 본 발명에서는 펨토초 레이저를 이용하여 미세 가공된 다중 채널 믹서부와 시료를 주입하는 펌프와 믹서부를 연결시키는 모세관(capillary tube)으로 미세유체의 믹서장치를 구성한다. The present invention relates to a microfluidic mixer, and a microfluidic structure having a simple structure formed by microfabricating and bonding a device for mixing microfluids having different properties to a general commercial glass substrate using a femtosecond laser. The present invention relates to the manufacture of a mixer device, by introducing a microfluidics-based technology applied in the medical and medical fields as a new concept device manufacturing technology to a microfluidic mixer, thereby easily introducing two microfluids using simple multiple microchannels. The present invention is characterized in that it can be mixed, and in the present invention, a microfluidic mixer device is configured by a capillary tube connecting a mixer and a pump for injecting a sample, a multi-channel mixer processed using a femtosecond laser.
다중채널, 미세유체, 펨토초 레이저, 믹서, 갈바노 스캐너, 유리기판 Multichannel, Microfluidic, Femtosecond Laser, Mixer, Galvano Scanner, Glass Board
Description
도 1은 본 발명의 상용유리기판에 펨토초레이저 시스템을 사용해 채널과 시료의 유입부를 가공하는 전체 시스템을 개략적으로 도시한 도면,1 is a schematic view showing an entire system for processing an inlet of a channel and a sample using a femtosecond laser system on a commercial glass substrate of the present invention;
도 2는 가공된 상용 유리기판에 또 다른 상용유리기판을 맞대어 직접 접합 방법을 이용한 미세유체 믹서장치를 제작하는 방법을 예시적으로 도시한 도면,FIG. 2 exemplarily illustrates a method of manufacturing a microfluidic mixer using a direct bonding method by facing another commercially available glass substrate to a processed commercial glass substrate.
도 3은 본 발명에 따라 제조된 믹서장치를 개략적으로 도시한 도면,3 is a view schematically showing a mixer device manufactured according to the present invention;
도 4는 본 발명 시스템을 이용하여 제조된 믹서장치의 혼합 성능을 시험하기 위한 잉크 혼합 실험 결과를 나타내는 사진이다.Figure 4 is a photograph showing the results of the ink mixing experiment for testing the mixing performance of the mixer device manufactured using the system of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명> <Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1 : 컴퓨터 2 : 펨토초 레이저 발생부1: computer 2: femtosecond laser generator
3 : 갈바노 스캐너 4 : 유리기판 3: galvano scanner 4: glass substrate
5 : 제어부 6 : 빔집속부5: control unit 6: beam focusing unit
11 :믹서부 14 : 미세 채널가공 유리기판 11: mixer section 14: fine channel processing glass substrate
16 : 상부 유리기판 17 : 모세관16: upper glass substrate 17: capillary tube
20 : 믹서장치20: mixer
본 발명은 상용 소다 라임 유리기판을 이용하여 미세관에서의 유체를 혼합할 수 있는 미세유체 믹서장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 펨토초 레이저를 이용하여 유리 기판에 수십 마이크로미터 급의 다중 미세 유체관을 제작하여 개발된 것으로서 이제까지 다른 방법으로 이룩하지 못하였던 미세 유체 혼합 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a microfluidic mixer apparatus capable of mixing a fluid in a microtubule using a commercially available soda lime glass substrate, and more specifically, to a glass substrate using a femtosecond laser. It was developed to produce a microfluidic mixing technology that has not been achieved by other methods so far.
최근 매우 적은 양의 미소 유체를 제어하고 이송할 수 있는 마이크로 미터 크기의 다양한 종류의 디바이스 뿐만 아니라 이들의 조합된 형태에 대한 많은 연구 개발이 이루어지고 있다. 특히 이들 디바이스의 개발은 미소 이송체의 추진이나 잉크젯 프린터 헤드 및 자동차 엔진 노즐과 정밀 화학 및 생화학 분석등 다양한 분야에서 응용 및 사용되고 있다. Recently, many researches and developments have been made on various types of micrometer-sized devices capable of controlling and transporting very small amounts of microfluids, as well as a combination thereof. In particular, the development of these devices has been applied and used in various fields, such as the promotion of micro conveyances, inkjet printer heads and automotive engine nozzles, and fine chemical and biochemical analysis.
이러한 미세 유체 공정에서는 유체의 혼합 역시 중요하게 대두되고 있지만, 수백 마이크로미터 급 이하 크기의 미세 유체관에서의 유동 현상은 거시적인 유체의 현상과는 다른 성질을 띄게 된다. 즉, 거시적인 유체에서는 두 액체가 서로 잘 섞이게 되나, 미세 유체관에서는 관의 크기가 작아 레이놀드 수(Raynolds number)가 작아지게 되고 따라서 유체 혼합에 있어서 중요한 난류가 발생하지 않아서 혼합을 하는데 애로 사항이 있다. In such microfluidic processes, the mixing of fluids is also important, but the flow phenomenon in microfluidic tubes of several hundred micrometers or less is different from that of macroscopic fluids. That is, in the macro fluid, the two liquids are well mixed with each other, but in the microfluidic tube, the size of the tube is small, so that the Reynolds number becomes small, and thus, there is no significant turbulence in the fluid mixing. There is this.
따라서 기존의 미세 유체 혼합 기술은 인위적으로 난류를 형성하기 위하여 채널에 미세한 홈을 반복적으로 형성하거나 미세관 내에 소형 프로펠라 등을 삽입하는 등의 방법이 있으나 제작 및 공정이 까다롭게 된다. Therefore, in the conventional microfluidic mixing technique, there are methods such as repeatedly forming fine grooves in a channel or inserting a small propeller into a microtubule in order to artificially form turbulence, but manufacturing and processing are difficult.
그런데, 최근에는 레이저를 이용한 유리 등의 취성 소재의 가공시 펨토초 레이저(Femto Second Laser)를 이용하는 기술이 널리 알려지고 있는 바, 열의 영향을 받지 않고 가공할 수 있는 점, 가공면이 매우 깨끗한 점, 취성 재료의 경우에도 갈라지지 않는 점, 및 고융점 재료의 경우에도 가공이 용이한 등의 이유로 널리 이용되고 있다.However, in recent years, a technique using a femtosecond laser (Femto Second Laser) when processing a brittle material such as glass using a laser is widely known, it can be processed without the influence of heat, the surface is very clean, In the case of a brittle material, it is widely used for the reason that it does not crack, and also a high melting point material is easy to process.
이에 본 발명자들은 미세 유체관 제작을 위한 펨토초 레이저 가공 실험을 시도하였던 바, 이에 많은 반복 실험의 결과로서 본 발명을 창안하기에 이르렀다.Therefore, the present inventors have attempted femtosecond laser processing experiments for producing a microfluidic tube, and thus, the present invention has been invented as a result of many repeated experiments.
본 발명은 펨토초 레이저를 사용하여 저가의 상용 유리 기판에 다중 마이크로 채널을 가공함으로써 미세 유체가 용이하게 혼합할 수 있는 미세유체 믹서장치 제조방법을 제공함을 목적으로 한다. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a microfluidic mixer, in which microfluids can be easily mixed by processing multiple microchannels on a low-cost commercial glass substrate using a femtosecond laser.
이러한 본 발명은 또한 난류를 형성하기 위하여 채널을 복잡하게 가공하는 것이 아니라 단지 미세 유체의 고유 특성인 벽면에서 멀어질수록 속도가 빨라지는 현상을 이용한 것이다. 즉, 채널 중앙에서 유속이 제일 빠른데, 다중 채널을 이용하면 가운데 채널에서의 속도가 제일 빨라져서 다시 단일 채널로 나올 때에 중앙 채널에서 나오는 유체가 속도에 의해 넓게 퍼지는 현상을 이용하여 믹서로 사용하는 것이다.The present invention also utilizes the phenomenon that the speed increases as the distance from the wall, which is an inherent property of the microfluid, is not complicated, in order to form turbulence. In other words, the flow velocity is the fastest in the center of the channel. When using multiple channels, the speed in the center channel is the fastest, and when it comes out to a single channel, the fluid from the center channel spreads by the speed, and is used as a mixer.
이러한 본 발명과 관련한 장치의 제작 기술로는, 첫째, 펨토초 레이저를 이 용하여 상용 유리기판에 미세가공할 수 있는 기술의 개발, 둘째, 시료 투입용 모세관 접합 기술의 개발, 셋째, 유리기판의 직접 접합기술과 패키징 기술이 중요하다.As a manufacturing technology of the device related to the present invention, first, the development of a technology that can be microfabricated on a commercial glass substrate using a femtosecond laser, second, the development of capillary bonding technology for sample input, third, the direct bonding of glass substrate Technology and packaging skills are important.
본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위하여, 수십 마이크로미터 급의 미세유체를 혼합하기 위한 장치를 제조하기 위한 방법으로서, 다중 마이크로 채널을 가진 미세유체 믹서를 설계하는 단계;In order to achieve the above object, the present invention provides a method for manufacturing a device for mixing tens of micrometer-class microfluid, comprising the steps of: designing a microfluidic mixer having multiple microchannels;
유리기판 위에 펨토초 레이저를 이용하여 설계된 미세유체 믹서를 가공하는 단계;Processing the microfluidic mixer designed on the glass substrate using a femtosecond laser;
미세유체 믹서가 가공된 유리기판 위에 별도의 유리기판을 접합시키는 단계; 및, 상기 별개 유리기판이 접합되어 이루어진 미세유체 믹서부에 모세관을 접합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 마이크로 채널을 가진 미세유체 믹서장치 제조방법을 제공한다. Bonding a separate glass substrate onto the processed glass substrate with the microfluidic mixer; And, it provides a method of manufacturing a microfluidic mixer device having multiple micro-channels comprising the step of bonding the capillary tube to the microfluidic mixer portion formed by bonding the separate glass substrate.
또한, 본 발명에서는 유리기판 위에 미세유체 믹서를 가공시 펨토초 레이저에서 발생된 빔이 갈바노 스캐너를 통해 편향되며, 갈바노 스캐너를 통해 편향된 빔은 에프-세타 렌즈를 거쳐 빔 집속이 이루어진 후에 유리기판에 조사될 수 있다.In addition, in the present invention, when the microfluidic mixer is processed on the glass substrate, the beam generated by the femtosecond laser is deflected through the galvano scanner, and the beam deflected through the galvano scanner is focused through the F-theta lens and then the glass substrate. Can be investigated.
더우기, 본 발명에서 믹서부가 가공된 유리기판과 별도의 유리기판의 접합은 열을 가하여 이루어진다.Furthermore, in the present invention, the bonding of the glass substrate processed with the mixer unit and the separate glass substrate is performed by applying heat.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 다중 마이크로 채널을 가진 미세유체 믹서장치로서, 마이크로 채널은 펨토초 레이저에 의하여 2 이상 형성되며, 마이크로 채널의 유입부 및 유출부에는 미세 직경을 가지는 모세관이 각각 접합되어 이루어지는 다중 마이크로 채널을 가진 미세유체 믹서장치가 제공된다.According to another aspect of the present invention, as a microfluidic mixer having multiple microchannels, two or more microchannels are formed by a femtosecond laser, and capillaries having a fine diameter are respectively joined to inlets and outlets of the microchannels. A microfluidic mixer with multiple microchannels is provided.
이하에서는 양호한 실시예를 도시한 첨부 도면과 관련하여 본 발명에 따른 미세유체 믹서장치를 제조하기 위한 시스템 및 이를 이용한 제조방법을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, a system for manufacturing a microfluidic mixer device according to the present invention and a manufacturing method using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings showing a preferred embodiment.
도 1은 본 발명에 따른 미세유체 믹서장치를 제조하기 위한 시스템을 도시하고 있는 바, 도시된 바와 같은 펨토초 레이저(Femto Second Laser) 발생부(2)에서 발생한 레이저빔을 이용하여 상용 유리기판(4)에 미세유체 믹서부를 가공하는 바, 미세유체 믹서부의 구성은 컴퓨터(1) 상에서 오토 캐드(Auto Cad)로서 제작한다. Figure 1 shows a system for manufacturing a microfluidic mixer device according to the present invention, a
한편, 본 발명의 미세유체 믹서장치를 구성할 믹서부를 유리기판(4) 위에 형성할 레이저빔은 갈바노 스캐너(3)를 통하여 경로가 전환되어 유리기판(4) 상에 믹서부를 형성하게 되는 데, 갈바노 스캐너(3)는 제어부(5)로부터의 제어 신호에 따라 X축 방향과 Y축 방향으로 빔을 편향시켜 가공할 유리기판(4)을 이동시킴이 없이 에프-쎄타 렌즈(F-theta Lens)로 구성되는 빔 집속부(6)를 거쳐 유리기판(4) 상에 믹서부를 구성하는 채널 및 유입구를 형성할 수 있다.On the other hand, the laser beam to be formed on the
상기 설명한 바와 같은 미세유체 믹서장치의 제작 시스템에서 사용되는 펨토초 레이저는 펄스 방사 시간이 1 피코초(pico-second) 이하의 10-13 내지 10-15 초대이며 초점 크기는 수 마이크로미터(um)까지 가능하다. 펨토초 레이저 발생부(2)에서 발생된 레이저 빔은 도시를 생략한 빔 분할기와 레이저빔의 편광 방향을 전환시키는 편광판들을 거치면서 레이저빔의 투과율이 조절되어 레이저빔의 출력을 감쇄 시키도록 이루어질 수 있으며, 갈바노 스캐너(3)에 전송되기 앞서 출력 밀도가 낮은 가장자리 부분을 제거하여 빔 형상이 진원에 가깝도록 다이아프램이 설치될 수 있다.The femtosecond laser used in the fabrication system of the microfluidic mixer device as described above has a pulse emission time of 10 -13 to 10 -15 invitations of less than 1 pico-second and a focal size of several micrometers (um). It is possible. The laser beam generated by the
또한, 본 발명에서는 상기와 같이 미세유체의 믹서부가 형성될 유리기판(4)은 믹서부 가공시 발생하는 유리 잔여물을 제거하기 위한 블로워(blower) 및 흡입장치가 구비된 진공챔버 내에 배치됨이 바람직하며, 이러한 유리기판(4)은 진공챔버 내에서 지지기구를 통해 고정 설치됨이 바람직하다. 더우기, 이러한 유리기판(4)이 고정설치되는 진공 챔버에는 유리기판(4) 상에 믹서부가 가공되는 상태 화면을 신호화하여 제어부(5)로 전송하기 위한 CCD 카메라 등의 적절한 모니터링 기구가 장착됨이 바람직하다.In addition, in the present invention, as described above, the
이러한 본 발명의 미세유체 믹서부 제조장치에서 제어부(5)는 컴퓨터(1) 및 레이저발생부(2)와 갈바노 스캐너(3)에 전기적으로 연결되어 제어신호를 전송하도록 구성됨이 바람직하다. 물론, 기타 필요한 전기적으로 작동되는 장치들에도 전기적으로 연결될 수 있다.In the apparatus for manufacturing a microfluidic mixer of the present invention, the
다음에는 이러한 본 발명에서 상기와 같은 구성의 미세유체 믹서장치 제조 시스템을 통하여 믹서부가 가공된 다중 채널의 미세유체 믹서장치의 구성 및 제조과정을 설명하면 다음과 같다.Next, the configuration and manufacturing process of the multi-channel microfluidic mixer apparatus processed by the mixer through the microfluidic mixer apparatus manufacturing system having the above-described configuration will be described below.
도 2 도시와 같이, 상기 시스템을 통해 제조된 미세유체 믹서부(11)가 형성된 유리기판(14)의 상부에 다른 상용 유리기판(16)이 접합되며, 이와 같이 구성되는 미세유체 믹서부(11)에는 유체의 주입구와 유출구가 막힘 없이 연통할 수 있도 록 모세관(17)을 접합시켜 미세유체 믹서 장치를 구성하는 것이다.As shown in FIG. 2, another
이와 같이 구성되고 제작된 미세유체 믹서장치(20)가 도 2에 도시되고 있는 바, 그 제조 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다. The
우선, 제작할 다중 마이크로채널 미세유체 믹서장치를 구성하는 믹서부의 구성을 컴퓨터(1) 상에서 오토 캐드를 이용하여 작성하는 것이 필요하다.First, it is necessary to create the configuration of the mixer section constituting the multi-microchannel microfluidic mixer apparatus to be produced on the
다음에는 믹서부를 가공할 유리기판(4)을 지지대(도시 생략)에 고정설치하는 것이 필요하다.Next, it is necessary to fix and install the
이어서, 유리기판(4) 위에 믹서부를 구성하는 다중 마이크로 채널과 유입부, 유출부를 가공하게 되는 데, 이러한 작업은 제어부(5)의 제어하에 펨토초 레이저 발생부(2)를 작동시켜 이루어지게 되며, 상용 유리기판(4)에 가공되는 마이크로 채널의 폭과 깊이는 가공 반복 횟수를 증가시켜 ~30 um와 ~300 um 수준으로 결정할 수 있다. 이러한 깊이의 가공은 예컨대, 가공 대상 유리기판이 지지설치된 진공 챔버 상에 설치된 예컨대 CCD 카메라를 통하여 믹서부의 형상을 관찰하면서 이루어질 수 있을 것이다.Subsequently, the multiple microchannels, inlets, and outlets of the mixer unit are processed on the
다음에는 이렇게 만들어진 다중 마이크로채널과 유입부 등으로 이루어진 믹서부(11)가 가공된 유리기판(14)의 표면에 친수성기를 도입하기 위한 개질 과정을 거쳐도 2에 도시한 바와 같이, 또 다른 상용유리(16)를 그 위에 맞대어 접합시킨다. 이러한 다중 마이크로 채널이 가공된 믹서부가 형성된 유리기판(14)과 다른 상용 유리기판(16)의 접합은 소정의 세정, 세척 및 건조 과정을 거친 것임이 바람직하며, 또한 소정의 표면 경면화 처리를 거친 것임이 바람직하다. Next, another commercially available glass, as shown in FIG. 2, undergoes a reforming process for introducing a hydrophilic group to the surface of the processed
이러한 유리기판과 유리기판의 접합 과정은 상온 대기중에서 반데르발스 힘에 의하여 이루어지는 것으로서, 유리기판의 표면에 존재하는 수화기(OH) 그룹 사이의 화학 반응으로 발생하는 공유 결합이 유리기판들의 직접 접합을 가능하게 하는 것이다. The bonding process between the glass substrate and the glass substrate is performed by van der Waals forces in an ambient temperature atmosphere. The covalent bond generated by the chemical reaction between the hydroxyl group (OH) on the surface of the glass substrate prevents the direct bonding of the glass substrates. To make it possible.
즉, 친수성기인 기판 표면에 존재하는 수화기 그룹 사이의 약한 수소결합으로 인하여 상온에서 두 기판을 외부의 압력이나 온도 변화없이 합착시키면 약한 접합이 발생하게 되며, 열처리 공정을 추가적으로 시행하게 되면 접합강도를 크게 향상시킬 수 있으며, 이 때의 열처리 온도 및 시간은 600 도에서 약 6 시간 정도 열처리를 실시함이 바람직하다.In other words, due to the weak hydrogen bond between the groups of the hydrophilic groups present on the surface of the hydrophilic group, when the two substrates are bonded together at room temperature without any external pressure or temperature change, weak bonding occurs. The heat treatment temperature and time at this time is preferably performed at 600 degrees for about 6 hours.
이와 같이 제조된 미세유체 믹서장치에서 다음에는 내부의 마이크로 채널 및 유입부, 유출부가 막힘 없이 연통할 수 있도록 적절한 미세 직경을 가지는 모세관(17)을 유입부 및 유출부에 접합한다. 이 때, 모세관(17)은 유입부 및 유출부에 다소 삽입되어 접합됨이 바람직하다.Next, in the microfluidic mixer device manufactured as described above, a
상기 과정을 거쳐 도 2 및 도 3 도시와 같은 다중 마이크로 채널을 가진 미세유체 믹서장치(20)를 제조하게 되는 데, 본 실시예에서는 마이크로 채널이 2개의 유입부 및 2개의 유출부를 가진 형태로 제작된 예를 들어 설명하였으나, 기타 3개 이상의 마이크로 채널들을 가진 형태로서 구성될 수 있음은 물론이다.Through the above process to produce a
이러한 마이크로 채널을 가진 미세유체 믹서장치에서는 두 개의 유입부(1a)를 통하여 혼합하려는 시료가 각각 주입되면 채널 속에서 시료가 혼합되어 두 개의 유출부(11b)를 통해 나오게 된다.In the microfluidic mixer device having such a microchannel, when samples to be mixed are injected through two inlets 1a, the samples are mixed in the channel and come out through two
이러한 본 발명에 따라 제조된 다중 마이크로 채널을 가진 미세유체 믹서장치의 효과를 보다 구체적으로 시험하기 위하여 실험을 실시하였다. 즉, 도 4 도시와 같이, 비교를 위한 300 μm급의 단일 채널(100)에서의 잉크 혼합 여부를 살펴보았는데, 거의 섞이지 않는 것을 볼 수 있고, 본 발명 예인 오른쪽의 30 μm급 다중 채널(200)에서는 유입부에서는 두 잉크가 섞이지 않으나 유출부에서는 40 % 이상 섞이는 것을 확인할 수 있다. 이 실험은 다중 채널을 한번 통과했을 때의 결과이고, 실제로 다중 채널을 더 많이 통과하게 되면 섞이는 정도도 더 개선되어질 것이라고 기대된다. Experiments were conducted to more specifically test the effect of the microfluidic mixer having multiple microchannels prepared according to the present invention. That is, as shown in FIG. 4, when the ink mixing in the 300 μm
상기 설명한 바와 같이, 본 발명은 펨토초 레이저를 사용하여 채널을 형성함으로써 미세유체의 믹서장치를 제조하면, 기존의 마스크를 이용한 습식 식각법에 비해 청정 시설을 필요치 아니하며 비용면에서도 저렴하게 된다. As described above, according to the present invention, when a microfluidic mixer device is manufactured by forming a channel using a femtosecond laser, a clean facility is not required and the cost is low compared to a wet etching method using a conventional mask.
또한 복잡한 구조가 아닌 단순한 다중 채널을 형성함으로 장치 제작에 걸리는 시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.In addition, by forming a simple multi-channel rather than a complex structure has the advantage that can reduce the time required to manufacture the device.
이상 본 발명이 양호한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 사상 및 이하 청구범위에 기재된 발명 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자들은 다양한 변경 및 수정이 가능함을 이해할 것이며, 이는 모두 본 발명에 속함은 자명하다.While the present invention has been described in connection with the preferred embodiments, those skilled in the art will understand that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below, all of which belong to the invention. Self-explanatory
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WO2012060576A2 (en) * | 2010-11-02 | 2012-05-10 | Lee Sanghyun | Method for processing a nano fine electrode within a biochemical analysis chip |
WO2012060576A3 (en) * | 2010-11-02 | 2012-08-02 | Lee Sanghyun | Method for processing a nano fine electrode within a biochemical analysis chip |
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KR20070044534A (en) | 2007-04-30 |
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