Jaulas neumáticas de microfluidos: Un nuevo enfoque para In-chip de cristal reventado, manipulación y tratamiento químico controlado

Chemistry
 

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Abrishamkar, A., Paradinas, M., Bailo, E., Rodriguez-Trujillo, R., Pfattner, R., Rossi, R. M., Ocal, C., deMello, A. J., Amabilino, D. B., Puigmartí-Luis, J. Microfluidic Pneumatic Cages: A Novel Approach for In-chip Crystal Trapping, Manipulation and Controlled Chemical Treatment. J. Vis. Exp. (113), e54193, doi:10.3791/54193 (2016).

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Abstract

Introduction

Materiales moleculares durante mucho tiempo han sido estudiados en la comunidad científica debido a su amplio número de aplicaciones en campos como la electrónica molecular, la óptica y sensores 1-4. Entre estos, los conductores orgánicos son una clase especialmente interesante de materiales moleculares debido a su papel central en las pantallas flexibles y dispositivos funcionales integradas 5,6. Sin embargo, las metodologías que se utilizan para permitir el transporte de carga electrónica en los materiales de base molecular se limitan a la formación de complejos de transporte de carga (CTC) y las sales de transporte de carga (CTSS) 7-10. Con frecuencia, los CTC y las CTSs son generados por métodos electroquímicos o por reacciones químicas redox directos; procesos que obstaculizan una transformación controlada de donantes o aceptores restos de arquitecturas más complejas en las que la multifuncionalidad puede ser concebido. En consecuencia, la elucidación de nuevos métodos sistemáticos para la generación y manipulación de molecular-base controlablemateriales D sigue siendo un reto importante en los campos de la ciencia de los materiales y la ingeniería molecular, y si tiene éxito, sin duda, dará lugar a nuevas funciones y nuevas aplicaciones tecnológicas.

En este contexto, las tecnologías de microfluidos recientemente se han utilizado para sintetizar materiales de base molecular debido a su capacidad de controlar el calor y la transferencia de masa, así como el volumen de reacción de difusión de los reactivos durante un proceso sintético 11,12. En pocas palabras, en flujos continuos y en bajos números de Reynolds de una interfaz estable entre dos o más corrientes de reactivo se puede lograr, lo que permite la formación de una zona de reacción bien controlada dentro de la trayectoria de flujo, donde la mezcla sólo se produce a través de la difusión 13-16. De hecho, hemos empleado previamente flujos laminares para localizar la ruta sintética de los materiales moleculares cristalinos tales como polímeros de coordinación (CPs) dentro de los canales de microfluidos 17. Aunque esta metodología ha demostrado gpromesa randes en la realización de nanoestructuras novela CP, la integración directa de este tipo de estructuras en las superficies, así como el tratamiento químico controlado después de su formación aún tiene que ser realizado in situ 18. Para superar esta limitación, se ha demostrado recientemente que el accionamiento de las jaulas de microfluidos neumáticos (o válvulas) incorporados en dispositivos de microfluidos de dos capas se puede utilizar ventajosamente a este respecto. Desde el trabajo pionero del grupo 19 de Quake, válvulas neumáticas de microfluidos con frecuencia se han utilizado para la captura de una sola célula y el aislamiento 20, las investigaciones de actividad enzimática 21, la captura de pequeños volúmenes de fluido 22, la localización de materiales funcionales en las superficies 23 y cristalización de proteínas 24. Sin embargo, hemos demostrado que los dispositivos de microfluidos de doble capa pueden utilizarse para atrapar, localizar e integrar formada in situ de estructuras para leer los componentes y en las superficies 18. Además, también hemos demostrado que esta tecnología se puede utilizar para llevar a cabo tratamientos químicos controlados en las estructuras atrapados, lo que permite tanto, "microfluidos intercambio de ligandos asistida" 18 y controlado dopaje química de cristales orgánicos 18,25. En ambos casos, las CTC se podrían sintetizar en condiciones controladas de microfluidos, y en el más reciente estudio, la multifuncionalidad podrían describirse en la misma pieza de material. En este documento, se demuestra el funcionamiento de los dispositivos de microfluidos de doble capa que emplean flujos de colorantes cargados, generar y controlar la vía de la coordinación de un CP, así como su localización en la superficie de un canal de microfluidos y, finalmente, evaluamos controlado tratamientos químicos sobre el chip estructuras atrapado.

Protocol

Nota: Dos capas de un dispositivo de microfluidos de doble capa están diseñados usando un software de dibujo, por ejemplo, AutoCAD y se imprimen para formar máscaras de vídeo de alta resolución, con un límite de precisión característica de 5 micras. moldes maestros son creados por SU-8 litografía en 4 obleas de silicio ", lo que permite la producción de estructuras 50 m de altura.

1. Maestro del molde de fabricación Uso de SU-8 Fotolitografia

  1. Colocar la oblea de silicio sobre una placa caliente a 200 ° C durante 10 minutos para deshidratar.
    Nota: oblea de silicio deshidratación proporciona un mejor contacto y asegura la difusión de la SU-8 fotorresistente durante la etapa de recubrimiento por centrifugación.
  2. Se enfría la oblea deshidratado a temperatura ambiente durante un período de 3 min.
  3. Cargar la oblea en una recubridora de rotación y el depósito 4 ml de SU-8 fotorresistente (aproximadamente 1 ml de SU-8 por pulgada de sustrato) en el centro de la oblea.
    1. En primer lugar, difundir la depositado SU-8 lentamente en 500 Revolutions por minuto (rpm) durante 10 s. una velocidad de rotación de ese tipo asegura que la cobertura de SU-8 se incrementa sobre toda la superficie de la oblea.
    2. En segundo lugar, controlar el espesor de la SU-8 haciendo girar el sustrato a velocidades más altas. En los experimentos actuales, utilice una velocidad de giro de 3.000 rpm durante 30 segundos para generar SU-8 cuenta con 50 m de altura.
  4. Limpiar el cordón de borde de la oblea cuidadosamente con una toallita de algodón mientras que hace girar a un régimen de revoluciones bajo (típicamente 100 rpm).
  5. Calentar la oblea spin-revestido sobre una placa caliente a 95 ° C durante 15 min para eliminar el disolvente residual de la SU-8 (es decir, "bake suave").
    Nota: La presencia de patrones o "arrugas" en la capa de resistir indica la eliminación incompleta de disolvente.
  6. Se enfría la oblea al horno de nuevo a temperatura ambiente y en contacto con la cara impresa emulsión de la fotomáscara con la oblea antes de la exposición.
  7. A su vez en la unidad de lámpara UV y la exposición y dejar que el sistema se estabilice durante un período de 10 men. Medir la intensidad de la lámpara a 365 nm utilizando un UV-optómetro, y estimar el tiempo de exposición requerido (según el tiempo de exposición a la energía = / intensidad a 365 nm).
    Nota: La energía de exposición en los experimentos actuales se calculó en 250 mJ / cm2.
  8. Exponer la máscara fotográfica sobre la oblea mediante revestimiento por centrifugación a luz UV durante el tiempo estimado en el paso anterior. A continuación, exponer el 79,6 seg.
  9. Inmediatamente después de la exposición, hornear la oblea expuesta sobre una placa caliente a 65 ° C durante 1 min, y posteriormente a 95 ° C durante 5 min. En este paso, la reacción se inicia por -light UV y completó después de la cocción.
  10. Deja la oblea de post-horneado que se enfríe a temperatura ambiente durante un período de 3 min.
  11. Desarrollar el SU-8 no reticulado en la oblea por disolución en el revelador SU-8 sobre 8 min. Para asegurar la eliminación completa de no reticulado SU-8, dividir el proceso en dos pasos.
    1. En la primera, sumerja la oblea en la solución de revelado durante 5 minutos, remover la mayoría de los no reticulado SU-8.
    2. A continuación, sumerja la oblea en una solución fresca de revelador durante 3 minutos para disolver el restante no reticulado SU-8 (típicamente atrapado entre las estructuras reticuladas).
  12. Enjuague la oblea desarrollado con isopropanol y se dejó que la oblea que tiene estructuras modeladas (en lo sucesivo, "molde maestro") se destacan a secarse. La observación de un residuo lechoso a enjuagar el molde maestro indica que el desarrollo es incompleto.
  13. Calentar el molde maestro se secó sobre una placa caliente a 200 ° C durante 2-5 min a "hornear duro" el sustrato y recocido posibles grietas en la capa protectora.
  14. Deje que el molde maestro fabricado se enfríe a temperatura ambiente.
  15. Colocar el molde maestro en un desecador (conectado a una bomba de vacío) dentro de una campana de humos.
  16. Verter 100 l de cloruro de trimetilsililo (TMCS) en un vaso de precipitados de vidrio y colocar esta en el interior del desecador.
    PRECAUCIÓN: TMCS es inflamable, corrosive y tóxicos; por lo tanto, los pasos de manipulación deberán llevarse a cabo bajo una campana de extracción, con el usuario con guantes de protección, gafas y una bata de laboratorio.
  17. Ponga el desecador al vacío y esperar por lo menos 1 hora para permitir que el vapor TMCS para depositar sobre la superficie del molde maestro.
  18. Después de 1 hr, se equilibre lentamente la presión dentro de desecador y abierto a la atmósfera.
    PRECAUCIÓN: No respirar directamente sobre el desecador abierta.
  19. Retire el maestro silanizada y cerrar el desecador.

2. La fabricación de doble capa dispositivos de microfluidos

Nota: El protocolo es particularmente sensible al tiempo y la temperatura. El incumplimiento de las que el marco de tiempo y temperatura puede conducir a la fabricación de dispositivos no-consolidado, y por lo tanto, no funcionales.

  1. Verter una mezcla de PDMS elastómero y agente de curado (5: 1 en peso) en un plato de pesaje desechable y completamente de la mezcla con una espátula de plástico. En el presente experimentos, usar 50 g de elastómero y 10 g de agente de curado para formar una capa de PDMS aproximadamente 5 mm de altura 19,26.
  2. Coloque el PDMS bien mezclados en un desecador al vacío para desgasificar y eliminar las burbujas atrapadas durante 15 minutos.
  3. Mezclar PDMS elastómero y agente de curado (20: 1 en peso) en un plato de pesaje desechable (por ejemplo, 10 g de elastómero y 0,5 g de agente de curado) 19,26.
  4. Fijar el molde "capa de control" maestro en un marco (en los experimentos actuales, un politetrafluoroetileno (PTFE) de circunvalación alrededor de 11 mm).
  5. Después de 15 min, colocar la mezcla 20: 1 de PDMS en el desecador al vacío para la desgasificación.
  6. Al mismo tiempo que la etapa anterior, sacar la mezcla 5: 1 de PDMS del desecador y verter esta sobre el molde maestro "capa de control" que se encuentra dentro del marco de la ronda. Coloque el marco que contiene el PDMS y molde maestro en el desecador al vacío también. Mantenga el PDMS excedente.
  7. Después de 45 min (y 30 minutos después de putting tanto PDMS mezclas en el desecador), tome ambas mezclas PDMS fuera del desecador y coloque el marco que contiene 5: 1 PDMS y el molde maestro "capa de control" en un horno a 80 ° C.
  8. Al mismo tiempo, comenzarán a girar capa de la "capa fluida" molde maestro con la mezcla 20: 1 de PDMS. La velocidad de rotación de recubrimiento por rotación se determina basándose en la altura deseada, y se ha informado en otra parte 27. Trate de terminar capa de la vuelta a los 60 minutos y mantener el PDMS residuales.
  9. Después de 60 minutos, poner el molde maestro giro "de la capa fluida" revestido con 20: 1 de PDMS en un horno a 80 ° C.
  10. A los 75 minutos, tomar los dos moldes maestros fuera del horno.
  11. Despegue solamente las 5: 1 PDMS de la "capa de control" maestro molde, trocea el sustrato con una cuchilla y ponche de los agujeros para las capas de control con un golpeador biopsia de 1 mm en las posiciones ensenadas determinados en el diseño. Aquí, la capa de control es de 24 mm de longitud y 24 mm de ancho.
  12. Retire restos de virutas en dados con cinta adhesiva.
  13. Ensamblar a mano los cubitos y puñetazos fichas capa de control en la parte superior del 20: 1 de giro PDMS recubierto en el molde maestro "de la capa fluida" utilizando un microscopio estereoscópico con la magnificación de 500X (Figura 1).
  14. Verter y sacar las PDMS residuales alrededor de los chips montados para hacer una capa de PDMS más grueso y por lo tanto facilitar la eliminación de las capas de fluidos y de control unidos al final.
  15. Coloque la "capa fluídica" molde maestro que contiene los dos dispositivos de la capa en un horno a 80 ° C y almacenar durante la noche.
  16. Al día siguiente, tomar el conjunto de curado del horno y dejar que se enfríe a temperatura ambiente.
  17. Retire el conjunto de PDMS del molde maestro "de la capa fluida", dados los dispositivos fabricados de doble capa con una cuchilla (24 mm de ancho y 24 mm de ancho) y ponche de entradas / salidas de fluidos con un golpeador biopsia de 1,5 mm.
  18. Tratar la superficie de los chips con open canales y cubreobjetos de vidrio (24 mm x 40 mm) con una descarga de corona y de inmediato Bond juntos. Tratar a moviendo la descarga de corona sobre la losa y vidrio cubreobjetos PDMS más de 1 min. Como alternativa, utilizar un sistema de plasma de sobremesa para facilitar la unión.
  19. Guarde los chips de doble capa unidas en un horno a 70-80 ° C durante al menos 4 horas.

3. Ensamblaje del sistema de microfluidos

  1. Después de que el dispositivo de microfluidos se ha montado, conecte las entradas de la capa de fluidos del chip a los depósitos de fluidos (jeringas) utilizando tubos de politetrafluoroetileno (PTFE) (0,8 mm de diámetro interno).
  2. Conectar la fuente de suministro de presión a las entradas de la capa de control a través de un tubo de goma de silicona y conectores metálicos que tienen un diámetro externo de 1,6 mm.
  3. Abrir y cerrar las válvulas mediante la aplicación de aire a presión a 3 bar utilizando una fuente de presión que se acciona manualmente. fluidos de suministro a los canales que utilizan una serie de bombas de jeringa controlada por ordenador.
  4. Visualizar el accionamiento de las válvulas y el funcionamiento del dispositivo con una cámara de alta resolución montada en un microscopio invertido. Utilice 5X a 63X aumentos.

4. La manipulación del régimen de flujo laminar por la jaula de actuación neumática

Nota: La capa de fluido consta de dos canales convergentes de entrada, que son 150 micras de ancho, a un canal principal más ancha de 300 micras de ancho. Y la capa de control tiene una serie de válvulas rectangulares idénticos (250 m × 200 m) que se encuentran en la parte superior del canal fluídico principal.

  1. Una vez que la configuración está conectado a la bomba de jeringa y los sistemas de controlador neumático, introducir un flujo de colorante acuosa a través de uno de los canales de entrada en la velocidad de flujo de 20 l / min.
  2. Cierre la válvula accionando que a 3 bar.
  3. Tenga en cuenta que el líquido todavía puede fluir alrededor de la válvula. Esta característica es importante en el logro de tratamiento químico controlado de estructuras atrapadas 18,25 </ Sup>.
  4. Abrir la válvula de liberación de la presión.
  5. Mientras que la solución de colorante fluye a través del primer canal, inyectar otro fluido acuoso en el segundo canal de entrada a 20 l / min. Una interfaz entre dos flujos acuosos se forma debido al régimen de flujo laminar presente en el dispositivo de microfluidos.
  6. Cierre la válvula accionando que a 3 bar. En este caso, el accionamiento de la válvula cambia la interfaz de los dos flujos acuosos; un resultado que se puede utilizar para modificar la ruta sintética durante la formación de un CP (vide infra) 18,28.
  7. Cambiar los caudales de fluido a 30 l / min y 10 l / min y observar el abajo o hacia arriba con desplazamiento guiado de la interfaz generada entre los dos fluidos.

5. La localización de micropartículas

  1. Conectar el chip de doble capa fabricada a la bomba de jeringa y sistemas de control neumáticos.
  2. Preparar una solución acuosa que contiene 10 wt.% De poliestirenopartículas fluorescentes (5 m de diámetro, la excitación y el máximo de emisión a 468 nm y 508 nm, respectivamente).
  3. Utilice fuente de excitación de láser que opera a una longitud de onda de 488 nm.
  4. Introducir el líquido cargado de partículas en los dos canales de entrada a un caudal total de 20 l / min.
  5. Espere durante 2 minutos hasta que se establezca un flujo estable.
  6. Accionar la válvula a 3 bar para cerrarla. Varios partículas serán atrapados debajo de la válvula y localizadas en la superficie, mientras que el flujo se mantiene.

6. Generación y reducción controlada de un polímero de coordinación (CP)

  1. Preparar una solución acuosa 2,5 mM de nitrato de plata (AgNO3).
  2. Preparar una solución acuosa 2,5 mM de cisteína (Cys).
  3. Preparar una solución de ácido ascórbico saturado en etanol 18.
  4. Usar el mismo chip de doble capa e inyectar los dos reactivos en los dos canales de entrada (un reactivo por entrada) cada uno a una velocidad de flujo de50 l / min.
  5. Observar la formación de plata y CPs cisteína (Ag (I) Cys) en la interfase de dos vapores co-fluye.
  6. Accionar la válvula en 3 bar controlar la Ag (I) formado Cys CPs debajo de la válvula.
  7. agua destilada Flush en los canales de entrada a un caudal de 50 l / min para lavar los reactivos excedentes utilizados durante el proceso sintético.
  8. Liberar la presión y abrir la válvula. Los CPs generados permanecen debajo de la válvula en condiciones de flujo detenido.
  9. Con el fin de llevar a cabo una reducción química controlada de atrapado Ag (I) Cys CPs, liberar la presión de la válvula a 1 bar y lavar la solución de ácido ascórbico saturado en etanol a una velocidad de flujo de 10 l / min.
  10. Observar un cambio de color claro que se atribuye a la reducción de Ag (I) a plata metálica (Ag (0)) por el ácido ascórbico 18.

Representative Results

Los dispositivos de microfluidos doble capa consisten en dos chips de microfluidos unidos estructurados de PDMS como se muestra en la Figura 1. La primera capa, que es al mismo tiempo unido a una superficie, se utiliza para fluir fluidos (capa de fluido), mientras que la segunda capa, que está unido directamente a la primera capa de PDMS, se utiliza para flujo de gas (capa de control).

Figura 1
Figura 1.-capa Doble dispositivo de microfluidos. (A) Representación esquemática y (B) micrografía del dispositivo de microfluidos de doble capa utilizada en nuestras investigaciones. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La inyección de gas a través de canales enla capa de control exprime la capa de fluido hacia la superficie (Figura 2A y la Figura 2B), lo que permite la captura y la localización de las estructuras en la superficie del canal microfluídico. PDMS accionamiento de membrana se puede utilizar para generar jaulas neumáticas y / o micro-válvulas que son controlados por un controlador de neumático. Como los modelos ejemplares de accionamiento de la membrana, se muestra cómo la desviación completa de la capa de fluido evita un flujo de colorante cargado a circular por debajo de la válvula después de su accionamiento (Figura 2C) y la captura de micropartículas fluorescentes en la superficie de microcanal (Figura 2D y 2E) .

Figura 2
Figura 2. Membrana de accionamiento y la captura de las estructuras. (A) lateral y (B) vista superior ilustraciones que muestran ser el dispositivo microfluídico de doble capaproa (parte superior) y después (abajo) de accionamiento de la válvula neumática. (C) Las micrografías de un dispositivo para microfluidos de doble capa antes (parte superior) y después de exprimir de la capa de fluido (parte inferior). En el panel inferior, la capa de fluido se llena con una solución acuosa de colorante rodamina para una mejor percepción de la actuación de la membrana. (D) Las micrografías de campo brillante de un dispositivo para microfluidos de doble capa antes (parte superior) y después (parte inferior) de accionamiento de la válvula con un partículas fluorescentes que fluyen solución acuosa que contiene de poliestireno (10 wt.%). Imágenes (E) fluorescentes de las imágenes de microscopio óptico mostrado en la D. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La figura 3A ilustra la captura de CPs generado in situ dentro de un dispositivo de microfluidos de doble capa a través de actuation de una jaula de neumático. Observe que se genera una nueva vía de coordinación después de la actuación de la primera válvula. El accionamiento de la válvula asegura la captura de la Ag (I) Cys CP generada en la interfaz de las dos corrientes de reactivo y facilita la formación de una nueva vía de coordinación (Figura 3A). Una caracterización química detallada de la Ag (I) Cys CP generada en la interfaz de las dos corrientes de reactivo se puede encontrar en estudios previos 17,18. Además, y después de la eliminación del excedente Reactivos de soluciones con un flujo de agua pura (Figura 3B), una solución de ácido ascórbico saturado en etanol se puede añadir al canal de microfluidos para la reducción química controlada de on-chip estructuras atrapados (Figura 3C). La reducción de la presión de la válvula de 3 bares a 1 bar está a favor de un tratamiento químico controlado de los atrapados CP Ag (I) Cys debajo de la zona de apriete 18. El cambio de color de las PC Ag (I) Cys atrapados a marrón oscuro es unattributed a la reducción de la plata monovalente al metal, de acuerdo con observaciones anteriores 18,29.

figura 3
Figura 3. El reventado de Ag (I) Cys CPs y reducción química controlada. (A) imagen de microscopio óptico que muestra la captura de un in situ sintetizado Ag (I) Cys CP y la generación de una nueva vía de coordinación. (B) Micrografía de CPs atrapado debajo de la zona de apriete después de la eliminación de las soluciones de reactivos excedentes con un flujo de agua, y en (C), micrografía de la misma micro-válvula después de que el proceso de reacción de reducción. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
High resolution film masks Microlitho, UK - Features down to 5 μm
SU8 photoresist MicroChem Corp., USA SU8-3050 -
Silicon wafers Silicon Materials Inc., Germany 4" Silicon Wafers Front surface: polished, Back surface: etched
Silicone Elastomer KIT (PDMS) Dow Corning, USA Sylgard® 184 -
Spinner Suiss MicroTech, Germany Delta 80 spinner -
UV-Optometer Gigahertz-Optik Inc., USA X1-1 -
Mask Aligner Suiss MicroTech, Germany Karl Suss MA/BA6  -
SU8 developer Micro resist technology GmbH, Germany mr-Dev 600 -
Trimethylsilyl chloride  Sigma-Aldrich, Switzerland 386529 ≥97%, CAUTION: Handle it only under fume hood.
Biopsy puncher Miltex GmBH, Germany 33-31AA-P/25 1 mm
Biopsy puncher Miltex GmBH, Germany 33-31A-P/25 1.5 mm
Glass coverslip Menzel-Glaser, Germany BB024040SC 24 mm × 60 mm, #5
Laboratory Corona Treater Electro-Technic Products, USA BD-20ACV  -
PTFE tubing PKM SA, Switzerland AWG-TFS-XXX AWG 20TFS, roll of 100 m
Silicone rubber tubing Hi-Tek Products, UK - 1 mm I.D.
neMESYS Syringe Pumps Cetoni GmbH, Germany Low Pressure (290N) -
High resolution camera Zeiss, Germany Axiocam MRc 5 -
Fluorescent inverted microscope Zeiss, Germany Axio Observer A1 Operable at two wavelengths, i.e., 350 nm and 488 nm
Green polystyrene fluorescent particles Fisher Scientific, Switzerland 11523363 Size: 5.0 μm, solid content: 1%
Silver nitrate (AgNO3) Sigma-Aldrich, Switzerland 209139 ≥99.0%
L-Cysteine (Cys) Sigma-Aldrich, Switzerland W326305 ≥97.0%
Disposable weighing dish Sigma-Aldrich, Switzerland Z154881 L × W × H : 86 mm × 86 mm × 25 mm
Disposable weighing dish Sigma-Aldrich, Switzerland Z708593 Hexagonal, Size XL
Plastic spatula Semadeni, Switzerland 3340 L × W : 135 mm x 14 mm
Dye, Bemacron ROT E-G Bezema, Switzerland BZ 911.231 Red
Stereomicroscope Wild Heerbrugg, Switzerland Wild M8 500x magnification
Disposable scalpels B. Braun, Switzerland 233-5320 Nr. 20
L-Ascorbic acid Sigma-Aldrich, Switzerland A4403 -

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References

  1. Nicolet iS5 User Guide. (2015).

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