TWI804766B - 使可潤濕基材上所含之被反應物與反應物加速並均勻反應之設備及含其之可快速標定一被反應物之系統以及塗佈頭 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種使一可潤濕基材上所含之一被反應物與一反應物加速並均勻反應之設備，其包含：一機台本體，具有供該可潤濕基材置放於上之一排液底板；及一塗佈頭，係設於該機台本體上方，並可維持一預設高度沿著該可潤濕基材以水平方向移動，該塗佈頭具有一或多個狹縫，該狹縫一端具有一無需限制置於幾何對稱中心的注入開口，該狹縫的另一端具有一液體排出口。

Description

使可潤濕基材上所含之被反應物與反應物加速並均勻反應 之設備及含其之可快速標定一被反應物之系統以及塗佈頭

本發明係關於一種加速可潤濕基材上反應之可快速標定一被反應物之設備及系統，特別係可用於生化及免疫學反應試驗。

近年來生化檢測的市場需求持續上升且運用廣泛，其在醫檢方面之應用尤為顯著與重要。如何快速穩定的提供可靠的檢測結果則仍是一個多年尚未完全解決的課題；尤其爆發之新冠肺炎疫情，篩檢技術已成為世界各國公衛研發的首位目標之一。

許多快篩試片在追求低成本及快速搶攻市場之策略下，會藉由不斷改良試劑配方，以達到能完成快速篩檢疾病的目的。然而，在此策略下，常發生針對同一疾病而使用不同快篩試片，卻檢測出結果互相矛盾的情形，造成公衛上的防疫的困擾。

相較於快篩試片，實驗室篩檢方法的檢測結果雖可信度高，但操作上須耗費大量的時間及人力。以傳統西方墨點法為例，其前置準備作業繁瑣，且檢測時需使用相當量的抗體及試劑進行反應，反應等待時間長。倘若抗體濃度掌握不佳，造成背景值過高而無法分辨目標反應物，還則須重新進行檢測。

有鑒於上述缺點，本發明欲提供一種使一可潤濕基材上所含之一被反應物與一反應物加速並均勻反應之設備，其包含塗佈頭及排液底板，二者藉由毛細力能減少試劑及反應物/被反應物(例如抗體)的用量、加速反應物及被反應物進行反應並減少反應時間，以改善習知篩檢須耗費大量的時間及人力。此外，本發明之設備可搭配系統模組及預先固定一或多種目標被反應物之試片，即時與客觀的提供有用的病況檢測資訊即受測者的病況發展與相對應臨床統計資訊，以協助醫事人員作出正確的診斷及處置。

是以，本發明之目的係提供一種使一可潤濕基材上所含之一被反應物與一反應物加速並均勻反應之設備，其包含一機台本體及一塗佈頭。該機台本體具有供該可潤濕基材置放於上之一排液底板；該塗佈頭係設於該機台本體上方，並可維持一預設高度沿著該可潤濕基材以水平方向移動，該塗佈頭具有一或多個狹縫，該狹縫一端具有一注入開口，該狹縫的另一端具有一液體排出口。

進一步地，該可潤濕基材可為多孔性材質。

進一步地，該設備更包含一吸力產生裝置，該吸力產生裝置係連接於該排液底板，提供該可潤濕基材一負壓。

進一步地，該排液底板係一多孔性材質或一非多孔性材質，且當該排液底板為該非多孔性材質，該排液底板於其表面設有微流道。

進一步地，該微流道之溝槽深度具一梯度(gradient)。

進一步地，該排液底板下方進一步設有一震盪器。

進一步地，該排液底板與該吸力產生裝置之間進一步設有一廢液儲存槽。

進一步地，該塗佈頭進一步可與一清洗液儲存槽直接連接。

進一步地，該狹縫之兩側係非平行。

進一步地，該排液底板的至少一側邊具有一塗佈準備區。

本發明之另一目的係提供一種快速標定一被反應物之系統，其包含本發明之設備，以及一光學影像擷取分析模組。

進一步地，該光學影像擷取分析模組包含一攝像機，該攝像機可為CCD或CMOS等感光元件模組。

進一步地，該系統包含與一預先固定一或多種目標被反應物之試片搭配使用。

進一步地，該系統包含一非暫態機器可讀媒體，其儲存一程式用以判讀該試片經反應後之結果，該非暫態機器可讀媒體可選自任一項或二種以上由以下模組所組成之群組：一影像判讀模組、一定量模組、一參照資料庫模組及一比對模組。該影像判讀用以判讀該試片經反應後之影像；該定量模組用以定量該試片之目標被反應物之含量；該參照資料庫模組係儲存該試片之該目標被反應物之檢測圖譜及相關臨床症狀；該比對模組係用以將該影像與檢測圖譜進行比對，以確定該試片反應後之結果。

本發明之另一目的係提供一塗佈頭，其具有一或多個狹縫，該狹縫一端具有一無需限制置於幾何對稱中心的注入開口，該狹縫的另一端具有一液體排出口。於較佳實施態樣，該狹縫之兩側係非平行。

相較於先前技術，本發明之優勢為：

本發明之設備，搭配係本發明之塗佈頭並可視需要為手動或電動方式移動，並可搭配不同材質及設計的排液底板並視需求搭配該吸力產生裝置，透過加裝震盪器等方式，降低所需之操作時間。

本發明之系統利於一站式快速完成篩檢及呈像，能作為具有高精準度及高效的生醫檢測系統，不同於習知的西方墨點法進行時需要多站式、長時間且耗人力；此外，系統搭配的試片及非暫態機器可讀媒體中的參照資料庫中因存有檢測圖譜對應的相關臨床症狀，取代目前僅有單項被反應物單純判斷是否有感染的快篩。因此，本發明之系統能利於在各種情況下，能夠即時與客觀的提供有用的病況檢測資訊，即受測者的病況發展與相對應臨床統計資訊，以協助醫事人員作出正確的診斷及處置。

本發明之塗佈頭可設計為一或多個狹縫，且可不需額外的動力即可利用毛細力及重力，使液體平均往兩側及往下分散，且若為多個狹縫，可同時測試多種不同反應物是否能與可潤濕基材上吸附的被反應物反應，大幅提升檢測效率。

以下將參照所附圖式說明本發明之實施形態以敘述本發明。在圖式中，相同的元件符號表示相同的元件，並且為求清楚說明，元件之大小或厚度可能誇大顯示。

本發明中，術語「可潤濕基材」係指生化或免疫反應中可吸附被反應物之膜，通常為多孔性，例如但不限於西方墨點法所使用的基材薄膜，材料可例如但不限於聚偏二氟乙烯膜(poly(vinylidene fluoride, PVDF)或硝化纖維膜(Nitrocellulose, NC)。

本發明中，術語「被反應物」係指吸附或固定於可潤濕基材的標靶物質(例如但不限於抗體或抗原、組織細胞等)，供後續與其對應之抗原或抗體或其他可與其交互反應之另一化學物質作用。「反應物」係指藉由塗佈頭塗佈至該可潤濕基材而能與該附著於可潤濕基材上之標靶物質相互作用者(例如但不限於抗原或抗體、藥物、病原體、體液、環境收集液等)。

本發明中，吸力產生裝置包括「負壓真空裝置」與具毛細力之吸液材料等；「吸力產生裝置」係指會產生負壓的裝置，該負壓可產生抽取力抽取液體。由於抽取力方向及塗佈頭塗佈方向不平行，因此會產生一強制對流，迫使塗佈在有孔性材質上的反應物往被反應物方向移動。

如圖1至4所示，本發明之一實施態樣為一種使一可潤濕基材上所含之一被反應物與一反應物加速並均勻反應之設備，其包含一機台本體1、一塗佈頭2及一吸力產生裝置3；該機台本體1具有供該可潤濕基材M置放於上之一排液底板101，該塗佈頭2係設於該機台本體1上方，並可維持一預設高度沿著該可潤濕基材M以水平方向移動；如圖2及3所示，該塗佈頭2可具有一或多個狹縫201，該狹縫201一端具有一注入開口202，該狹縫201的另一端具有一液體排出口203，且該狹縫201之兩側係非平行；如圖1所示，該吸力產生裝置3係連接於該排液底板101(經管線P連通)，提供該可潤濕基材M一向下吸力。

本發明之設備於塗佈時，視需要可任意採人工方式利用定量工具或採電動方式以注射幫浦，將反應物注入該塗佈頭2，即從該注入開口202進入到該狹縫201中；該反應物藉由毛細力、重力及慣性力，在該液體排出口203及該可潤濕基材M之間自然形成液橋；當該塗佈頭2水平方向移動時，利用反應物的黏滯力、毛細力、重力及慣性力間的平衡，可將該反應物的液橋橫向拉出進行塗佈。一般認為塗佈頭2需要在兩平板內形成導流結構，才能使注入之液體往下流動；然而，經發明人實驗發現，該塗佈頭2只需要以兩平板形成狹縫201，且較佳該狹縫201之兩側非平形，則可不需額外的動力(例如注射幫浦提供動力)，即可利用毛細力及重力，使液體平均往兩側及往下分散，如圖4之塗佈頭2具有一個狹縫201，其注入開口202係為開放式從該塗佈頭2側邊延伸至塗佈頭2底側，因此液體可直接由該塗佈頭2底側或側面的開口注入該狹縫201，並在塗佈過程中仍由塗佈頭2底側的同一開口排出該液體。於圖1的實施態樣中，包含了吸力產生裝置3可進一步縮短反應時間並降低非專一性結合所導致的雜訊，但經實驗，於另一實施態樣中，可以省略下方的吸力產生裝置3，塗佈頭2內的反應物仍可藉由毛細力及重力即使液體可平均往兩側及往下分散，平均分佈於1吸附有被反應物之可潤濕基材M之上。

該塗佈頭2可以有一或多個狹縫，圖3之塗佈頭2顯示僅有一個狹縫201，狹縫201之側面位置有一注入開口202，下方有液體排出口203，該注入開口202並無需限制在幾何對稱中心，即無特別位置限定，雖然圖中顯示注入開口202位於塗佈頭2之側面位置，但該注入開口202只要能使液體流通至狹縫201即可，因此也可設置於塗佈頭2上方或側方表面等；又該液體排出口203係在塗佈頭2之狹縫201下方形成整面的開口，以使塗佈頭2內的反應物可均勻的塗佈於可潤濕基材M之上；圖2之塗佈頭2之態樣則為多個狹縫201，該多個狹縫201為獨立的通道彼此不連通，每個狹縫201上端均有一注入開口202，每個狹縫201下端均有一液體排出口203，由於該多個狹縫201彼此不連通，因此可在每個注入口202注入不同的反應物，故可於一次的反應中，測試多種不同反應物是否能與可潤濕基材M上吸附的被反應物反應，大幅提升檢測效率。

本發明設備中，該塗佈頭2可藉由手動或自動方式進行水平方向移動。如圖1所示，本發明之一實施態樣為，本發明之設備可進一步包含一清洗液儲存槽5，該塗佈頭2係連接至該清洗液儲存槽5，該塗佈頭2可藉由該清洗液儲存槽5下方的滑軌6進行水平方向移動，該滑軌6的驅動力可來自電動馬達或人工手動操作，本發明並不予以限制滑軌6之設置位置及驅動方式。較簡便且具彈性，該塗佈頭2為手動方式進行水平方向移動，省去水平位移電動馬達及周邊控制輔助系統設備，以降低成本並增加操作便捷性。

本發明之設備的另一實施態樣如圖4所示，本發明設備中，該塗佈頭2可藉由手動或自動方式在該可潤濕基材M上進行水平方向塗佈，而後輔以手動或自動方式將該可潤濕基材M移至一搖動清洗槽、一超音波清洗槽或一光學影像擷取分析模組周邊輔助系統設備，以降低成本並增加操作便捷性。

本發明之設備中，該排液底板101係指可供放置上述該可潤濕基材M的基板，該排液底板101之材料可為多孔性材質或非多孔性材質；如該排液底板101為多孔性材質(例如陶瓷、泡棉、紙、多孔纖維等)，則該排液底板1011因其多孔而具有向下吸引作用，可將該可潤濕基材M上含反應物之液體向下吸引，抑制反應物橫向擴散，促進反應物及被反應物持續產生動態反應，同時減少塗佈後所需等待反應之時間；如該排液底板101為非多孔性材質，則其材料可例如玻璃、金屬、壓克力、聚合物、矽膠、塑料或其等之組合等，且較佳實施態樣中，則該排液底板101可如圖5至7所示，該排液底板101為具有該微流道1011；該微流道1011細小而具毛細力，且於較佳實施態樣中，其微流道1011之溝槽深度具有一梯度(換言之，溝槽深度可由淺至深或由深至淺)，提供該微流道101內的液體可因毛細力高低差而流動，而相對低處係位在具有該排液口1012之一端，該排液口1012係用以將液體排出，其中該排液口1012可為一或二個以上，如圖5所示，具有二個排液口1012；在另一實施態樣，該排液口1012可連接吸力產生裝置；較佳地，該排液口1012係設置在該微流道1011之溝槽深度的低處；較佳地，該塗佈頭2在塗佈時，係由該微流道1011之溝槽深度的高處往低處方向進行塗佈；藉由毛細力及流道的高低差，該微流道1011中的液體流動時具方向性(即朝具有該排液口1012之一端流動)，不僅可便於收集流下的液體外，此液體流動的方向性亦可驅使該可潤濕基材M上的反應物之液體被向下吸引。進一步地，當該排液底板101搭配該吸力產生裝置3所產生的負壓時，具有抽吸力，即可加乘此向下吸引作用，更進一步加速反應物及被反應物的反應時間。

於較佳實施例中，該排液底板101較佳亦可為非多孔性材質。該排液底板101為多孔性材質(例如泡棉、紙、多孔性纖維、金屬網等)之時，由於該多孔性材質本身具有孔隙故具有吸力，則該排液底板101整體持續吸收該可潤濕基材M上的液體，可潤濕基材M無法保持一定的濕潤度，故若未及時處理，恐影響後續判讀結果；此外，該多孔性材質的孔隙容易有反應物殘留，無法清洗後重複使用；雖然如此，多孔性材質之排液底板101仍可用於拋棄性且可即時判讀的反應程序中。相較之下，該排液底板101為非多孔性材質之時，如圖5至7所示，由於該微流道1011係藉由毛細力及梯度高低差，將反應物之液體流向該排液口1012後排出，該排液底板101整體不具孔隙故並不會快速吸收該可潤濕基材M上含反應物之液體，因此不會發生可潤濕基材M濕潤度不足的狀況(即維持在含有液體但液體不會消失太快的狀態)，此外，該非多孔性材質之排液底板101可清洗後重複使用更具環保概念。因此，該排液底板101也可視使用者需求選用其適宜的材質、或做成可拆解模組以方便裝置及更換。另外，如圖2所示，該排液底板101可進一步設置一塗佈準備區1013，該塗佈頭2可由該塗佈準備區1013形成穩定液橋後，再水平移動至該可潤濕基材M上進行塗佈，以維持設定之塗佈間距、並避免塗佈頭2直接接觸可潤濕基材M產生污染。該塗佈準備區1013可以係與該排液底板101一體成型所完成、或額外設置該塗佈準備區1013於該排液底板101所完成。

本發明設備之進一步實施態樣為該設備更包含一震盪器102、一廢液儲存槽4；如圖1所示，該震盪器102係設置於該排液底板101下方；該廢液儲存槽4係設在該排液底板101與該吸力產生裝置3之間，並有管線P連接；該清洗液儲存槽5係連接該塗佈頭2，該滑軌6係設至於該清洗液儲存槽5的下方。本實施態樣之設備可清洗該可潤濕基材M，即當反應完成後，透過塗佈頭2將該清洗液儲存槽5中的清洗液塗佈至該可潤濕基材M，該排液底板101的該微流道1011可適當維持該可潤濕基材M濕潤並充滿清洗液，於此同時，該震盪器102即藉由震動以清洗該可潤濕基材M，去除多餘反應物。習知的實驗室清洗操作(例如西方墨點法)在清洗多餘反應物時，係將該可潤濕基材M移至於洗液盒內浸泡，以自然擴散輔以外加搖晃，並重複執行多次而達到清洗目的，過程耗費人力且冗長。相較下，本實施態樣之設備在清洗時無須移動該可潤濕基材M即可完成清洗，不僅避免該可潤濕基材M因移動而損害的風險，且震動清洗的清洗效果優於自然擴散及晃動。此外，當該排液底板101係使用非多孔性材質時，該微流道1011能使該可潤濕基材M上下兩端之壓力差在抽液時有較均勻地分布，以達到最少清洗液卻能最有效均勻的清洗效果，從而降低所需之操作時間。

較佳地，該震盪器102為超音波震盪器，可於清洗該可潤濕基材M之過程中自動啟動，以每秒幾萬次的快速橫向相對運動，達到提升清洗效果及大幅縮減清洗時間之功用。藉由該排液底板101及該震盪器102之組合，利於該可潤濕基材M在短時間內有效完成清洗，且抑制檢測結果信號中的背景雜訊而提高系統功能，使信號更清晰。較佳地，本發明此一實施態樣之設備係利用排液底板101及超音波震盪器102之組合，可以在短時間內有效完成清洗，在信號呈現方面背景的雜訊能夠有效地抑制，因此能提高系統功能使信號更清晰。

使用本發明之設備進行西方墨點法可獲得強的偵測信號；如圖8所示，當反應物分別為嚴重急性呼吸道症候群新冠狀病毒核衣殼蛋白 (SARS-CoV-2 NP)、嚴重急性呼吸道症候群冠狀病毒核衣殼蛋白 (SARS-CoV NP)、中東呼吸症候群冠狀病毒核衣殼蛋白(MERS-CoV NP)及人類冠狀病毒NL63核衣殼蛋白(HCoV-NL63)，左圖係使用習知西方墨點法的實驗結果，偵測信號有雜訊及不清晰；相較之下，右圖係使用本發明之設備的實驗結果，偵測信號無雜訊及清晰。

本發明另一方面係提供一種快速標定一被反應物之系統，係包含本發明之設備及一光學影像擷取分析模組。該光學影像擷取分析模組包含一攝像機，可用以擷取及呈像本發明之設備所完成的檢測(如西方墨點法)實驗結果；該光學影像擷取分析模組亦可包含一激發光源、一濾鏡，其擷取的影像信號可包含冷光、UV光、螢光及可見光，本發明並不予以限定。本發明之系統利於一站式快速完成篩檢及呈像，能作為具有高精準度及高效的生醫檢測系統，不同於習知的西方墨點法進行時需要多站式、長時間且耗人力。

所述的攝像機可包含CCD或CMOS等，本發明並不予以限制。

進一步地，本發明之系統可包含與一預先固定一或多種目標被反應物之試片搭配使用，該試片即係可用於本發明之設備的可潤濕基材M，由於該試片已預先固定一或多種目標被反應物，當欲檢測含有未知反應物的樣本時，即可快速完成快篩檢測。較佳地，該試片係預先固定有多種目標被反應物，因具有多種被反應物的試片，所呈現出的檢測圖譜(例如西方墨點法的實驗結果)，可取代習知僅係檢測某單一被反應物而判斷是否有感染的快篩。

進一步地，本發明之系統可包含一非暫態機器可讀媒體，其儲存一程式用以判讀該試片經反應後之結果，該非暫態機器可讀媒體係選自任一項或二種以上由以下模組所組成之群組：一影像判讀、一定量模組、一參照資料庫模組及一比對模組。該影像判讀及定量模組係用以判讀該試片經反應後之影像。定量模組係用以定量該試片之目標被反應物之含量。該參照資料庫係儲存該試片之該目標被反應物之檢測圖譜及相關臨床症狀。該比對模組係用以將該影像與檢測圖譜進行比對，以確定該試片反應後之結果。具體而言，透過分子生物學與血清學的設計與選擇，可設計出具有不同檢測反應物圖譜之試片；當該試片使用本發明之設備完成反應後，可經由該非暫態機器可讀媒體的該程式進行判讀。藉由該影像判讀及定量模組判讀該試片之該影像後，該比對模組會將該影像與儲存在該參照資料庫的該檢測圖譜進行比對，得到檢測結果。此外，參照資料庫中因存有檢測圖譜對應的相關臨床症狀，若經比對後發現該影像及該檢測圖譜中有相同的結果，亦可對照相關臨床症狀，取代目前僅有單項被反應物單純判斷是否有感染的快篩。因此，藉由本發明之系統能利於在各種情況下，能夠即時與客觀的提供有用的病況檢測資訊即受測者的病況發展與相對應臨床統計資訊，以協助醫事人員作出正確的診斷及處置。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本發明之專利範圍中。

1:機台本體 101:排液底板 102:震盪器 1011:微流道 1012:排液口 1013:塗佈準備區 2:塗佈頭 201:狹縫 202:注入開口 203:液體排出口 3:吸力產生裝置 4:廢液儲存槽 5:清洗液儲存槽 6:滑軌 M:可潤濕基材 P:管線

圖1是本發明之一種使一可潤濕基材上所含之一被反應物與一反應物加速並均勻反應之設備(一)的外觀示意圖。

圖2係本發明之設備的塗佈頭及排液底板的外觀示意圖。

圖3係本發明之設備的塗佈頭的斜側視圖。

圖4係本發明之一種使一可潤濕基材上所含之一被反應物與一反應物加速並均勻反應之塗佈設備(二)外觀示意圖。

圖5係本發明之非多孔性材質的排液底板(一)的外觀示意圖。

圖6係本發明之非多孔性材質的排液底板(二)的外觀示意圖。

圖7係本發明之非多孔性材質的排液底板(三)的外觀示意圖。

圖8係西方墨點法的實驗結果圖：右圖係使用本發明之設備完成；左圖係使用習知西方墨點法完成。

1:機台本體

101:排液底板

102:震盪器

2:塗佈頭

3:吸力產生裝置

4:廢液儲存槽

5:清洗液儲存槽

6:滑軌

P:管線

Claims (15)

1. 一種使一可潤濕基材上所含之一被反應物與一反應物加速並均勻反應之設備，其包含：一機台本體，具有供該可潤濕基材置放於上之一排液底板；及一塗佈頭模組，係設於該機台本體上方，並可維持一預設高度沿著該可潤濕基材以水平方向移動，該塗佈頭模組具有一或多個狹縫，該狹縫之一端為一無需限制置於該塗佈頭模組之幾何對稱中心之開口，且該塗佈頭模組內部可不具連接管路，可由該塗佈頭模組外部直接將液體由該開口注入該狹縫並由該開口排出該液體。
2. 如請求項1之設備，其中該設備更包含一吸力產生裝置，該吸力產生裝置係連接於該排液底板，提供該可潤濕基材一吸力。
3. 如請求項1之設備，其中該排液底板係一多孔性材質或一非多孔性材質，且當該排液底板為該非多孔性材質，該排液底板於其表面設有微流道。
4. 如請求項3之設備，其中該微流道之溝槽深度具一梯度(gradient)。
5. 如請求項4之設備，其中該排液底板與該吸力產生裝置之間進一步設有一廢液儲存槽。
6. 如請求項5之設備，其中該排液底板下方進一步設有一震盪器。
7. 如請求項6之設備，其中該塗佈頭進一步與一清洗液儲存槽連接。
8. 如請求項1之設備，其中該排液底板的至少一側邊具有一塗佈準備區。
9. 如請求項1之設備，其中該狹縫之兩側係非平行。
10. 一種快速標定一被反應物之系統，其包含如請求項1至9任一項之設備及一光學影像擷取分析模組。
11. 如請求項10之系統，其中該光學影像擷取分析模組包含一攝像機。
12. 如請求項11之系統，其進一步包含與一預先固定一或多種目標被反應物之試片搭配使用。
13. 如請求項12之系統，其進一步包含一非暫態機器可讀媒體，其儲存一程式用以判讀該試片經反應後之結果，該非暫態機器可讀媒體係選自任一項或二種以上由以下模組所組成之群組：一影像判讀，用以判讀該試片經反應後之影像；一定量模組，用以定量該試片之目標被反應物之含量；一參照資料庫模組，係儲存該試片之該目標被反應物之檢測圖譜及相關臨床症狀；及一比對模組，用以將該影像與檢測圖譜進行比對，以確定該試片反應後之結果。
14. 一種塗佈頭模組，其具有一或多個狹縫，狹縫一端為一無需限制置於該塗佈頭模組之幾何對稱中心的開口，且該塗佈頭模組內部可不具連接管路，可由該塗佈頭模組外部直接將液體由該開口注入該狹縫並由該開口排出該液體。
15. 如請求項14之塗佈頭，其中該狹縫之兩側係非平行。

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