CN1975434A - 微流体系统、试样分析装置、靶物质的检测或测定方法 - Google Patents
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Abstract
一种微流体系统,具备:形成有流路的基板状的微流体芯片;液体导入管,其向该流路供给液体,其一端与该流路的一端连通,其另一端可浸渍到要向该流路供给的液体中;和液滴喷出头,其与所述流路的另一端连通,喷出通过所述流路后的液体。
Description
技术领域
本发明涉及主要用于检测生物试样的反应的微流体系统、试样分析装置、及靶物质的检测或测定方法。
背景技术
目前,使用在玻璃基板等上设有微细流路的微流体芯片,进行化学分析或化学合成、或者生物相关的分析等的方法逐渐受到关注。微流体芯片也称作微Total Analytical System(微TAS)或Lab-on-a-chip等,与以往的装置相比,具有试样的需要量少、反应时间短、废弃物少等优点,期待应用到诊断、环境或食品的现场分析等广泛的领域中。
在采用了微流体芯片的分析中,为了在芯片的微细流路内混合试样溶液并使反应物质反应来进行检测,需要对该微细流路稳定且控制速度地输送试样溶液的机构,所以一直采用微泵或注射泵等。
在特开2005-227250号公报(专利文献1)中公开了通过阀门连接泵和微芯片的微细流路来进行停止送液和进行送液的方法等。
在上述专利文献1中公开的方法中,如其图1所示,微芯片、阀门、以及送液泵通过毛细管连接。它们的连接部需要由硅管等连结,但在连接时有时会进入气泡,阻碍试样溶液的流动。另外,由于毛细管内的容积会成为死区容积,所以反应时间会出现延迟,并且产生试样溶液的浪费。另一方面,若由毛细管连接,则装置整体体积增大,所以还存在无法发挥所谓紧凑结构的微流体系统的优点的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供可对微流体芯片的微细流路稳定且控制速度地输送试样溶液,并且流路中不易进入气泡、死区容积也少的微流体系统。
本发明为了解决上述问题,提供一种微流体系统,其中,具备:形成有流路的基板状的微流体芯片;液体导入管,其向该流路供给液体,其一端与该流路的一端连通,其另一端可浸渍到要向该流路供给的液体中;和液滴喷出头,其与所述流路的另一端连通,喷出通过所述流路后的液体。
根据这种结构,通过使液体导入管的与连接在流路上的端部相反一侧的端部与试样溶液等的液体接触,在该状态下使液滴喷出头动作,由此将该溶液经由液体导入管送入流路内,最终由液滴喷出头喷出。由液滴喷出头一次喷出的液体为数十皮升,所以例如以2kHz~10kHz频率连续地反复喷出,由此能够实现以需要的速度向微流体系统输送溶液。通过控制喷出速度,还能够控制试样溶液的输送速度。另外,根据这种结构,由于没有大量采用毛细管的连接,所以不易产生气泡容易进入连接部的问题,还由于仅通过液体导入管连接试样溶液和微流体芯片的流路,所以死区容积也少。由于不采用毛细管等,所以微流体系统整体成为紧凑的结构。另外,由于在一个微流体系统中设有多条流路,所以还能够同时进行多个反应。
所述微流体芯片优选构成为相对液体导入管及液滴喷出头可拆装的结构。根据这种结构,可一次性使用微流体芯片,所以还可适用于容易受到污染影响的低浓度的生物试样的分析等。
所述基板优选由透明材料构成。根据这种结构,可通过发光或荧光等从外部容易地检测流路内产生的反应。
所述液体导入管及所述液滴喷出头优选在所述基板状的微流体芯片的同一主面侧与所述流路连接。根据这种结构,由于基板的未设有液体导入管及液滴喷出头的主面上不具备突出物等,所以容易从该主面检测流路内的发光或荧光等。
如所述那样的微流体系统的结构具体为,叠层粘接至少一基板的表面形成有成为流路的槽的两片基板而形成所述微流体芯片,在所述两片基板的任一基板上,在成为所述流路的两端的位置形成贯通孔,所述液体导入管直接或间接地与一贯通孔连通,所述液滴喷出头直接或间接地与另一贯通孔连通,由此实现。在此,直接连通是指,液体导入管或液滴喷出头与贯通孔直接连接,间接连通是指,经由密封材、流路等连接。
所述流路优选具有流路径小于其它部分的围堰部。根据这种结构,在不能通过该围堰部的大小的珠粒等上固定试样等,使含有该珠粒的溶液在流路内流动,由此能够将该珠粒聚积在围堰部,从而能够在该位置提高试样的浓度。
另外,本发明还提供一种试样分析装置,采用并安装形成有流路的基板状的微流体芯片,其中,具备:在安装微流体芯片时可与流路的一端连通的液体导入管、可与流路的另一端连通的液滴喷出头、和固定机构,该固定机构能够将微流体芯片、液体导入管、液滴喷出头固定为一体。
根据这种装置,能够安装可一次性使用的微流体芯片,并能够有效地进行试样的分析。
所述试样分析装置还优选具备光学检测系统,其能够检测所述流路内产生的反应。根据这种结构,能够实时检测微流体芯片内产生的反应。
所述试样分析装置还优选具备吸取机构,其能够从所述液滴喷出头的喷嘴吸取该液滴喷出头内的气体或液体。根据这种结构,在开始使用装置时,以将液体导入管浸渍到液体中的状态使吸取机构动作,由此能够将液体吸取并充填至液滴喷出头的前端。另外,在液滴喷出头产生堵塞的情况下,还可通过吸取机构吸取来消除堵塞。
本发明还提供一种安装用于所述试样分析装置的微流体芯片。本发明的微流体芯片是形成有流路的基板状的微流体芯片,通过安装在所述试样分析装置中,能够与液体导入管及液滴喷出头直接或间接地连接,并在该流路内使试样溶液产生反应。
所述微流体芯片为了检测流路内的反应,优选由透明材料构成。通过由玻璃或透明树脂等廉价的透明材料构成,还可一次性使用,能够避免污染,用于采用低浓度的生物试样的分析。
另外,本发明的微流体芯片优选叠层粘接至少一基板的表面形成有成为所述流路的槽的两片基板而构成,在所述两片基板的任一基板上,在成为所述流路的两端的位置形成有贯通孔。
另外,所述流路优选具有流路径小于其它部分的围堰部。
本发明还提供一种采用具有围堰部的微流体系统,检测或测定试样溶液中的靶物质的方法。该方法包括:第一工序,在含有表面固定有对靶物质具有亲和性的物质且不能通过围堰部的大小的珠粒的溶液中浸渍液体导入管的与连接在流路上的端部相反一侧的端部;第二工序,使液滴喷出头动作,将含有珠粒的溶液导入微流体芯片的流路内,由围堰部阻挡珠粒;第三工序,将液体导入管的与连接在流路上的端部相反一侧的端部浸渍到试样溶液中;第四工序,使液滴喷出头动作,将试样溶液导入微流体芯片的流路内,并使其与被围堰部阻挡的珠粒充分接触;和第五工序,检测或测定在珠粒表面固定的对靶物质具有亲和性的物质与该靶物质的结合。
根据这种结构,由于珠粒被围堰部阻挡,所以珠粒表面固定的对靶物质具有亲和性的物质在围堰部的近前被浓缩。然后,通过使有可能含有靶物质的试样溶液在流路内流动,由此使珠粒上固定的物质和靶物质反应,将靶物质固定于珠粒表面。通过对该结合进行检测或测定,能够测定试样溶液中的靶物质的有无或量。由于珠粒停留在围堰部,所以还具有容易检测的优点。
优选在第四工序后且第五工序前,还包括清洗工序,将液体导入管的与连接在流路上的端部相反一侧的端部浸渍到清洗液中,使液滴喷出头动作。根据该结构,能够排除非特异性吸附引起的假阳性反应。
另外,优选在第四工序后且第五工序前,还包括:将液体导入管的与连接在流路上的端部相反一侧的端部浸渍到含有对靶物质具有亲和性的带有标识的物质的溶液中的工序;和使液滴喷出头动作,将带有标识的物质与靶物质相结合的工序。根据该结构,容易检测靶物质的有无。
在本发明的靶物质的检测或测定方法中,优选所述液滴喷出头的动作方式为以2kHz~10kHz的频率连续喷出液滴。根据该结构,在微流体芯片的流路内,不会出现脉动状,而能够大致上以低速送入液体。
附图说明
图1是本发明的微流体系统的概略剖视图;
图2是构成本发明的微流体芯片的基板的俯视图;
图3是本发明的微流体芯片的概略立体图;
图4是构成本发明的微流体系统的基板的俯视图;
图5是液滴喷出头的放大剖视图;
图6是表示本发明的微流体系统的结构的概略图;
图7是表示本发明的微流体系统的使用方法的说明图;
图8是微流体芯片的围堰部的放大剖视图。
图中:1-微流体系统;10-微流体芯片;11、12、51、52-基板;13、13’、14-流路;15、15’、53、54-贯通孔;20-液滴喷出头;30-液体导入管;40-固定器;60、60’-O形圈;100-围堰部;300-试样分析装置;310-工作台;320-液体收容器;330-激发光产生装置;340-反射镜;350-CCD相机;400-吸取装置。
具体实施方式
以下,参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。
(微流体系统及微流体芯片)
图1表示本发明的微流体系统1的概略剖视图。
微流体系统1具备:形成有连续的流路13、14及13’的基板状的微流体芯片10;与流路13的一端连接,向流路13、14及13’供给液体的圆筒状的液体导入管30;与流路13’的一端连接,喷出通过流路13、13’及14之后的液体的液滴喷出头20。
微流体系统1由固定器40保持,在固定器40上固定有形成流路的基板51及52,液滴喷出头20及液体导入管30也固定在基板51及52上。
微流体芯片10由分别形成有成为流路的槽的两片基板11及12构成,在基板12上,在成为流路的两端的位置设有贯通孔15及15’。贯通孔15通过成为密封材的O形圈60与设在基板51上的贯通孔连通,并与液体导入管30连通。另一方面,贯通孔15’通过成为密封材的O形圈60’与设在基板51上的贯通孔连通,进而通过设在基板52上的流路与液滴喷出头20连接。
首先,图2表示构成微流体芯片10的基板11及12的俯视图。图2(A)表示基板11的俯视图。在基板11上,在与基板12相接的面上形成有成为流路的槽13a~13d及13’a~13’d。在槽13a~13d与槽13’a~13’d之间分别设有狭窄的间隙。
图2(B)表示基板12的俯视图。在基板12上的与基板11相接的面上形成有成为流路的槽14a~14d,通过将基板12与基板11粘接,来分别连通槽13a~13d和槽13’a~13’d。另外,在基板12的两端,形成有贯通孔15a~15d和15’a~15’d,通过叠层连接基板11和基板12,来使这些贯通孔与槽13a~13d和槽13’a~13’d连通。
基板11及12的材料并不特别限定,但如果采用玻璃基板或透明树脂基板等,则容易检测流路内的发光等反应。槽的深度可根据使用目的适当变更,例如,槽13a~13d和槽13’a~13’d的深度可设为100μm左右,成为围堰部的槽14a~14d可设为20μm左右。槽例如可通过蚀刻法形成,贯通孔可通过喷丸法形成。
叠层粘接上述的基板11及基板12,即构成微流体芯片10。基板的连接方法可根据基板的材料来选择,但在玻璃基板的情况下可采用热粘接法。
图3表示这样制造的微流体芯片10的概略立体图。在本实施方式中,可在四个流路中独立地送入试样溶液等来使其反应。流路的数目可适当变更。于是,微流体芯片10为简单的结构,通过由廉价的材料制造还可适于一次性使用。
其次,结合图4对固定于微流体系统1中的基板51及52的结构进行说明。首先,图4(A)表示基板51的俯视图。在基板51上的与基板12的贯通孔相同的位置形成有贯通孔53a~53d、53’a~53’d,在基板51的表面,以围绕这些贯通孔的周围的方式配置有O形圈60a~60d及60’a~60’d。由此,即使将微流体芯片10作成可拆装的结构,经由O形圈与基板51重叠,并由固定器40(参照图1)固定,由此,贯通孔15a~15d及15’a~15’d、与贯通孔53a~53d及53’a~53’d分别不产生溶液泄漏地连接。
其次,图4(B)表示基板52的俯视图。在基板52上形成有直径与液体导入管30的外径相等的贯通孔54a~54d。另外,还形成有其一端与基板51的贯通孔53’a~53’d连接的槽55a~55d。在槽55a~55d的另一端设有贯通孔,它们与液滴喷出头20连接。
基板51及52的材料也并不特别限定,例如可采用玻璃基板,该情况下,可通过热粘接法来粘接二者。
图5表示作为本发明的微流体系统所采用的液滴喷出头的一例的静电驱动方式的液滴喷出头20的放大剖视图。再有,液滴喷出头的驱动方式可适当选择采用公知的方式,但在使用生物试样的情况下,优选不产生热的压电驱动式或静电驱动式。
液滴喷出头20形成为可仅通过电连接单独使加压室的加压机构动作,由此从喷嘴孔喷出液滴的结构。液滴喷出头20由形成有电极211的电极基板21、形成加压室221的加压室基板22、以及形成有喷嘴孔231的喷嘴基板23构成。设在电极基板21上的贯通孔212、设在加压室基板22上的贯通孔222、流路223、加压室221、以及喷嘴231设为与微流体芯片10的流路相同的数目(本实施方式中为四个),且分别一一对应。另外,电极211与各加压室221对应设置,可对各加压室221个别地加压。
设在电极基板21上的贯通孔212与基板52的贯通孔连接,若在未图示的通用电极和电极211之间施加电压,则经由这些贯通孔流入加压室221的液体因振动板224弹性位移而被加压,从喷嘴孔231喷出。再有,在电极基板21上,从图中下侧的面起始形成槽,在其顶部形成有电极211,所以在电极211和振动板244之间形成有微小的间隙(空隙)。电极基板21、加压室基板22、喷嘴基板23的材料并不特别限定,但在喷出的液体中含有生物试样的情况下,适合采用玻璃、硅等。
通过将液体导入管30插入基板52的贯通孔54a~54d中,以液滴喷出头20与形成在槽55a~55d的一端的贯通孔连通的方式固定,通过O形圈将微流体芯片10与基板51及52重叠,并适当用固定器40来保持,由此完成微流体系统1。液体导入管30的材料并不特别限定,可采用金属、树脂、玻璃等,例如可通过环氧系的粘接剂将玻璃制的毛细管固定在玻璃基板上,作为液滴导入管来使用。在将聚苯乙烯制的毛细管用作液体导入管30的情况下,优选预先对内壁表面进行亲水性处理。另外,液体导入管30也可在插入部设置密封构件,以使其可更换。
(试样分析装置)
图6表示利用上述的本发明的微流体系统的试样分析装置300的概略结构的一例。如图6所示,试样分析装置300具备:微流体系统1;固定该微流体系统1的固定器40;收容有试样溶液、缓冲液等的液体收容器320;载置该液体收容器320的工作台310;以及由荧光色素检测出流路内的反应时赋予激发光的激发光产生装置330;和用于检测该荧光的CCD相机350。
从激发光产生装置产生的光被反射镜340反射而照射到流路内,在流路内激发的荧光由CCD相机350检测。
工作台310可在图中箭头所示的X、Y、Z方向的任一方向上被自由驱动,通过移动液体收容器320,调整为将微流体系统的液体导入管30浸渍到液体收容器320的凹部(well)中的溶液中,或将从液滴喷出头20喷出的液体喷出到液体收容器320的凹部内。
结合图7说明液体的送入方法。首先,如图7(A)所示,控制工作台310的位置,将液体导入管30的前端浸渍到液体收容器320的液体中。然后,将具有覆盖液滴喷出头20的喷嘴孔231并与喷嘴面紧贴的盖机构的吸取机构400向箭头的方向移动来使其与喷嘴面紧贴。
然后,如图7(B)所示,使吸取机构400动作,从喷嘴孔231中吸取液体,并将液体收容器320中的液体经由液体导入管30导入微流体芯片10的流路13、14、13’中。液体到达液滴喷出头20的喷嘴孔231之后,结束吸取,从喷嘴面上取下吸取机构400。接着,使液滴喷出头20动作,喷出液滴,由此使液体在流路中流动。
通常,在微流体系统中,需要的流速为1~2μL/分钟左右,从液滴喷出头20一次喷出的液滴量为数十皮升,所以,例如按2~10kHz左右反复喷出,可使液体以需要的流速流动。若以该速度反复喷出,则可避免形成脉动状,并能够使液体以基本一定的速度流动。
(靶物质的检测或测定方法)
下面,对本发明的靶物质的检测或测定方法进行说明。在本实施方式中,对于试样溶液中可能含有的靶物质,通过使用对该靶物质的抗体来检测。
首先,将微流体芯片10固定在固定器40(参照图1)上。然后,通过图7所示的方法移动工作台310,将液体导入管30浸渍到备有纯水或缓冲液等不会对之后的测定产生影响的液体的液体收容器320中,然后使用吸取装置400将该液体充满至液滴喷出头20的喷嘴孔231。
接着,在液体收容器320中准备含有表面固定有对靶物质的抗体的珠粒(beads)的液体,再次移动工作台310,将液体导入管30的前端浸渍到该溶液中。若在该状态下使液滴喷出头20动作而反复喷出液体,则该液体从液体导入管30导入流路13,向流路14、13’流入,但珠粒不能通过围堰部100,而停留在围堰部100正前方的流路13中。图8(A)表示围堰部100的放大剖视图,图8(B)表示珠粒被阻挡的状态。固定了抗体的珠粒可通过公知的方法来调制,如上所述,在流路13及13’为100μm,围堰部的流路14为20μm左右的情况下,例如可使用直径40μm左右的珠粒。
然后,在液体收容器320中准备可能含有靶物质的试样溶液,移动工作台310,将液体导入管30浸渍到试样溶液中。若在该状态下使液滴喷出头20动作而反复喷出液体,则该液体从液体导入管30导入流路13,如果存在靶物质,则与珠粒表面的抗体结合。
接着,再次移动工作台310,将液体导入管30浸渍到备有水或缓冲液的液体收容器320中,使液滴喷出头20动作来清洗流路内。根据该工序,可预先冲洗非特异性吸附的物质,而只将对抗体特异性吸附的靶物质捕捉到珠粒表面。
然后,在对靶物质具有亲和性的二次抗体上附加荧光物质,将其溶解于液体中,并准备在液体收容器320中。之后,移动工作台310,将液体导入管30浸渍到该液体中,并使液滴喷出头20动作。这样一来,二次抗体与被珠粒表面的抗体捕捉的靶物质结合。根据需要,可再次使水或缓冲液在流路内流动而进行清洗,由此除去非特异性吸附物。
接着,通过图6所示的激发光产生装置330生成激发光,通过反射镜340照射围堰部100附近。通过CCD相机350检测由此被激发的荧光,能够测定靶物质的有无及其量。
这样,根据采用了本发明的微流体系统的靶物质的检测或测定方法,如果预先例如在精密滴度板等上准备需要的溶液,依次移动工作台310,则可同时并迅速地进行多个反应。另外,由于不通过毛细管连接液体收容器和流路,所以死区容积减小,能够抑制使用溶液或试剂的浪费。另外,通过变更从液滴喷出头喷出的频率,可自由地改变流体的流速,所以可使液体在不同的流路内以不同的流速流动。此外,由于微流体芯片能够形成可拆装的结构,所以既可进行一次性使用,也可取下进行清洗,在采用了浓度低的生物试样的测定中,也能够防止污染,进行高灵敏度及高精度的检测。
再有,本发明并不限定于上述的实施方式的内容,可在本发明的思想的范围内实施各种变形。例如,在上述的靶物质的检测方法中,采用固定了抗体的珠粒,但根据本发明的系统,并不限于抗原抗体反应,可采用对靶物质具有亲和性的物质,检测核酸之间的杂交、酶基质反应、各种受体和配体的反应等各种各样的反应。另外,检测也不限于荧光物质,也可检测各种反应所产生的变色/发光反应等。还可根据检测的反应,适当变更本发明的试样分析装置的检测系统。
在上述实施方式的试样分析装置中,制成了固定微流体系统,移动载置了液体收容器的工作台的结构,但也可反之。
Claims (17)
1.一种微流体系统,其中,具备:
形成有流路的基板状的微流体芯片;
液体导入管,其向该流路供给液体,该液体导入管的一端能够与所述流路的一端连通,该液体导入管的另一端能够浸渍到要向所述流路供给的液体中;和
液滴喷出头,其与所述流路的另一端连通,喷出通过所述流路后的液体。
2.根据权利要求1所述的微流体系统,其中,
所述微流体芯片为可相对于所述液体导入管及所述液滴喷出头进行拆装的结构。
3.根据权利要求1或2所述的微流体系统,其中,
所述微流体芯片由透明材料构成。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的微流体系统,其中,
所述液体导入管及所述液滴喷出头在所述基板状的微流体芯片的同一主面侧与所述流路连通。
5.根据权利要求4所述的微流体系统,其中,
所述微流体芯片是叠层粘接两片基板而构成的,该两片基板中至少一基板的表面形成有成为流路的槽,
在所述两片基板中的任一基板上的、构为所述流路两端的位置形成有贯通孔,
所述液体导入管直接或间接地与所述贯通孔之一连通,所述液滴喷出头直接或间接地与所述贯通孔之另一个连通。
6.根据权利要求1或5所述的微流体系统,其中,
所述流路具有围堰部,该围堰部的流路径小于其它部分的流路径。
7.一种试样分析装置,安装并采用形成有流路的基板状的微流体芯片,其中,
具备:在安装了所述微流体芯片时能够与所述流路的一端连通的液体导入管、能够与该流路的另一端连通的液滴喷出头、和固定机构,
所述固定机构能够将所述微流体芯片、所述液体导入管和所述液滴喷出头固定为一体。
8.根据权利要求7所述的试样分析装置,其中,
还具备光学检测系统,其能够检测所述流路内产生的反应。
9.根据权利要求7或8所述的试样分析装置,其中,
还具备吸取机构,其能够从所述液滴喷出头的喷嘴吸取该液滴喷出头内的气体或液体。
10.一种微流体芯片,是安装在权利要求7~9中任一项所述的试样分析装置中使用的形成有流路的基板状的微流体芯片,其中,
在安装于所述试样分析装置中时,所述流路的一端能够与所述液滴导入管连通,该流路的另一端能够与所述液滴喷出头连通。
11.根据权利要求10所述的微流体芯片,其中,
所述微流体芯片由透明材料构成。
12.根据权利要求10或11所述的微流体芯片,其中,
所述微流体芯片是叠层粘接两片基板而构成的,该两片基板中至少一基板的表面形成有成为所述流路的槽,
在所述两片基板中任一基板上的、所述流路两端的位置形成有贯通孔。
13.根据权利要求10~12中任一项所述的微流体芯片,其中,
所述流路具有围堰部,该围堰部的流路径小于其它部分的流路径。
14.一种靶物质的检测或测定方法,采用权利要求6所述的微流体系统检测或测定试样溶液中的靶物质,其中,包括:
第一工序,使所述液体导入管的与连接在所述流路上的端部相反一侧的端部浸渍在含有不能通过所述围堰部的大小的珠粒的溶液中,该珠粒的表面固定有对所述靶物质具有亲和性的物质;
第二工序,使所述液滴喷出头动作,将含有所述珠粒的溶液导入所述微流体芯片的流路内,由所述围堰部阻挡所述珠粒;
第三工序,使所述液体导入管的与连接在所述流路上的端部相反一侧的端部浸渍到所述试样溶液中;
第四工序,使所述液滴喷出头动作,将所述试样溶液导入所述微流体芯片的流路内,使该试样溶液与被所述围堰部阻挡的珠粒充分接触;和
第五工序,检测或测定在所述珠粒表面固定的对所述靶物质具有亲和性的物质与该靶物质的结合。
15.根据权利要求14所述的靶物质的检测或测定方法,其中,
在所述第四工序后且所述第五工序前,还包括清洗工序,在该清洗工序中将所述液体导入管的与连接在所述流路上的端部相反一侧的端部浸渍到清洗液中,使所述液滴喷出头动作。
16.根据权利要求14或15所述的靶物质的检测或测定方法,其中,
在所述第四工序后且所述第五工序前,还包括:
将所述液体导入管的与连接在所述流路上的端部相反一侧的端部浸渍到含有对所述靶物质具有亲和性的带有标识的物质的溶液中的工序;和
使所述液滴喷出头动作,将所述带有标识的物质与所述靶物质相结合的工序。
17.根据权利要求14~16中任一项所述的靶物质的检测或测定方法,其中,
使所述液滴喷出头动作,并以2kHz~10kHz的频率连续喷出液滴。
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