Microfluidic platforms allow the implementation of classical analytical operations at a mere fraction of the time, cost and resources required conventionally while granting the potential for measurements to be taken directly in the field by untrained personnel. Centrifugal microfluidic (CM) platforms, a subset of microfluidic platforms, use centrifugal force to direct liquid flow and perform a variety of analytical operations.Although the use of centrifugal force grants CM platforms many advantages such as a high degree of parallelism, the potential for portability, and the capability to pump liquids irrespective of their physicochemical properties, it creates a design paradigm that requires all platform operations to occur while the platform is in motion. Stopping a CM platform may result in unintended capillary induced flow in channels that can disrupt the intended operation and even cause a loss of sample. In accordance with this paradigm, it is important to develop measurement techniques that can be utilized while CM platforms are in motion. One measurement of importance is the volume of liquid aliquots inside a CM platform. The capability to measure volume directly on CM platforms in motion could allow experiments to quantify liquid flow in real time and avoid the use of volume metering chambers, which occupy valuable platform space. In this thesis, a new technique based on image segmentation was created to perform volume measurements on CM platforms in motion. Evaluation platforms containing a black contrast layer were fabricated and injected with liquid aliquots. High-resolution images of the evaluation platforms in motion were obtained with a high speed camera synchronized to a strobe light and the images were processed digitally. Platform images were then converted to an intensity space before image segmentation was applied to trace the inner contour of each liquid aliquot. The contour of each measured aliquot was filled and an area was computed. This area was ratioed against that obtained for a calibration volume located on the same image to obtain the volume of the aliquot.The volume measurement technique was characterized through experiments designed to test its precision and accuracy over a range of volumes. The results were found to be 1 and 2% respectively. Further characterization of the technique revealed its flexibility in regards to optical magnification, chamber shape, size and aspect ratio and platform rotational frequency. An investigation into the effects of surface tension on the method precision was also conducted. The applicability of the technique to liquids of various colours was successfully demonstrated. The versatility of the method should allow it to be used for a variety of applications including real time metering of volumes in platforms, quantitative monitoring of a design's performance in real time and the elimination of metering chambers in designs. / Les systèmes microfluidiques permettent la miniaturisation de techniques classiques d'analyse chimique en n'utilisant qu'une fraction du temps et des ressources requises conventionnellement. Ces systèmes offrent la possibilité d'effectuer des mesures directement sur le terrain sans avoir recours à un personnel qualifié. Des systèmes microfluidiques ont été développés qui utilisent la force centrifuge pour diriger le débit de liquides injectés et accomplir une variété de processus analytiques. Bien que l'utilisation de la force centrifuge accorde à ces systèmes plusieurs avantages tels qu'un haut niveau de parallélisme, un potentiel de portabilité et la capacité de pomper des liquides indépendamment de leurs propriétés physicochimiques, elle crée aussi un modèle de conception qui requière l'accomplissement de toutes les opérations analytiques pendant que le système est en rotation.En accord avec ce modèle, il est important de développer des techniques de mesure qui peuvent être appliquées pendant qu'un système microfluidique centrifuge est en mouvement. Une mesure importante est celle du volume de liquides injectés dans un système microfluidique centrifuge. La capacité d'effectuer la mesure des volumes directement sur des systèmes microfluidiques en mouvement pourrait permettre la quantification du débit de liquide en temps réel et éliminer le besoin d'utiliser des chambres de comptage qui occupent un espace déjà restreint sur le système.Dans cette thèse, une technique basée sur la segmentation d'images a été développée pour mesurer le volume d'aliquotes de liquide dans des systèmes microfluidiques en rotation. Des systèmes d'évaluation contenant une couche de peinture contrastante ont été conçus, fabriqués et injectés avec des aliquotes de liquides. Des images de haute résolution de ces systèmes en mouvement ont été acquises avec une caméra numérique à haute vitesse synchronisée avec une lumière stroboscopique et traitées numériquement. Ces images ont été converties à un espace colorimétrique de niveau de gris et segmentées pour tracer un contour autour de chaque aliquote de liquide. Ces contours ont ensuite été utilisés pour calculer l'aire de chaque aliquote qui a ensuite été divisée par l'aire d'une aliquote de calibration située sur la même image pour obtenir le volume de chaque aliquote. La technique de mesure de volume a été caractérisée par des études conçus pour tester sa précision et son exactitude pour différents volumes. La précision et l'exactitude obtenues ont été de 1 et 2 % respectivement. Une caractérisation supplémentaire de la technique a révélé sa flexibilité quant au grandissement du système optique, la taille, la forme et le rapport hauteur/largeur des chambres du système et la fréquence de rotation du système. Une enquête sur les effets de la tension de surface du liquide mesuré sur la précision de la méthode a aussi été effectuée. L'applicabilité de la technique à des liquides de diverses couleurs a aussi été démontrée avec succès. La versatilité de cette méthode devrait permettre son utilisation dans une variété d'applications incluant la mesure de volumes en temps réel, le contrôle quantitatif de la performance de designs de systèmes microfluidiques centrifuges en temps réel et l'élimination de chambres de comptage dans leur conception.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.123215 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Kazarine, Alexei |
| Contributors | Eric Dunbar Salin (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Chemistry) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically submitted theses |
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