In an industrial society it is critical that techniques be developed for the measurement of chemical species in the environment, in humans and as both intended and unintended products of manufacturing. Initially, these techniques were developed around sophisticated instruments and often involved complex procedures. It is obviously advantageous if the cost of analyses can be reduced and the experimental procedures simplified, while still maintaining the quality of the data collected. Furthermore, it is often desirable to have measurements performed rapidly, with on-site measurement sometimes deemed useful or even essential. All of these desirable outcomes may, in some cases, be obtained by miniaturisation. The interest in miniaturisation has led to rapid growth of the field of microfluidics, an area of study which involves using small volumes of liquids, often with detection systems specifically tailored to these reduced volumes. Microfluidic systems must have some way of moving liquids through various stages of chemical or physical processes. One particularly interesting pumping method involves the use of centrifugal force, which eliminates the need for pumps and minimises connections to the platform on which the analysis is done. Up to this point, centrifugal systems have generally been constrained to a limited number of sequential analytical steps as liquid could only flow in the direction demanded by the applied centrifugal force.In this thesis, a variety of liquid manipulation techniques on centrifugal microfluidic platforms were developed and characterised. These techniques were used to miniaturise standard classical analytical methods and implement them on centrifugal microfluidic platforms with the goal of monitoring environmentally important compounds such as aqueous sulfide. A two-phase liquid displacement pumping technique and a pneumatic-centrifugal pumping technique are demonstrated and presented. The developed pneumatic-centrifugal system was used to significantly increase the toolbox of capabilities for centrifugal microfluidic platforms, simultaneously enabling critical microfluidic operations such as valveless liquid transfer, metering, liquid flow switching, agitative micromixing, and liquid recirculation. This technique is based on contactless implementation of pneumatic pressure using compressed air on a continually rotating centrifugal microfluidic platform, thereby enabling complete liquid flow control by combining the effects of pneumatic pressure and centrifugal force.This new type of pneumatically enhanced centrifugal microfluidic platform greatly simplifies the fabrication process by minimising valving requirements, as well as improving efficiency by performing analyses in a highly automated manner. The pneumatic approach was applied to an on-disk calibration and spectrophotometric measurement using the method of standard additions. Similarly, another pneumatically enhanced platform was developed for performing liquid-liquid extractions between an aqueous phase and an organic phase, demonstrating that these centrifugal platforms are not only capable of performing complex multi-step reactions, but also multi-cycle reactions and processes. Finally, an application-specific pneumatically enhanced centrifugal platform was developed for the spectrophotometric determination of aqueous hydrogen sulfide.All of the developed analytical methods only required small sample and reagent volumes, are highly automated and convenient, and have the potential to be performed in a field environment without the need for highly trained personnel. / Dans notre société industrielle, la conception de techniques pour la quantification d'espèces chimiques dans l'environnement, les humains et les dérivés de la production manufacturière est primordiale. Au départ, ces techniques avaient été élaborées à partir d'instruments sophistiqués et se basaient sur des procédures complexes. Il serait donc avantageux de pouvoir réduire les coûts d'analyse et simplifier les procédures expérimentales, tout en maintenant un niveau élevé de la qualité des données recueillies. De plus, il est souvent souhaitable de pouvoir effectuer ces mesures rapidement, et si possible sur le site où l'échantillon à analyser est recueilli. Toutes ces caractéristiques bénéfiques des méthodes analytiques peuvent être obtenues, dans certains cas, à travers la miniaturisation. L'intérêt pour la miniaturisation a mené à une croissance rapide des systèmes microfluidiques, un domaine d'études qui se concentre sur l'utilisation de petits volumes de liquide et des systèmes de détection spécialement adaptés à ces volumes réduits. Tout système microfluidique doit intégrer une méthode de transfert des liquides à travers différentes étapes de traitements chimiques ou physiques. Une méthode de pompage particulièrement intéressante utilise la force centrifuge, ce qui permet d'éliminer l'utilisation de pompes ou connections externes au système où s'effectue l'analyse chimique. Jusqu'à présent, les systèmes employant la force centrifuge ont été limités par le nombre d'étapes analytiques consécutives, le liquide ne pouvant se déplacer que dans une seule direction définie par la force centrifuge appliquée.Pour cette thèse, plusieurs techniques de manipulation des liquides sur un système microfluidique à base de force centrifuge ont été dévelopées et caractérisées. Ces techniques ont été utilisées pour miniaturiser les méthodes analytiques classiques pour ensuite les intégrer à des plateformes microfluidiques à base de force centrifuge, l'objectif final étant la surveillance d'espèces chimiques dans l'environnement. Une technique de pompage par déplacement de deux phases liquides et une technique de pompage pneumatique à base de force centrifuge sont démontrées. La technique pneumatique à base de force centrifuge qui a été développée augmente de façon significative les capacités de la boîte à outils des systèmes microfluidiques à base de force centrifuge. Ce nouveau système permet d'effectuer simultanément des opérations essentielles dans les systèmes microfluidiques telles que le transfert de liquides sans valves, les dosages, la commutation du débit des liquides, les micromélanges par agitation ainsi que la recirculation des liquides. Cette technique se base sur l'application sans contact d'une pression pneumatique en utilisant de l'air comprimé sur un système microfluidique à base de force centrifuge en rotation constante. Ceci permet un contrôle complet du débit des liquides en combinant les effets de la pression pneumatique et de la force centrifuge. Le processus de fabrication de ce nouveau système est grandement simplifié par l'ajout du système pneumatique car cela diminue le nombre de valves à intégrer dans le système. De plus, son efficacité est accrue grâce à la possibilité d'effectuer des analyses de façon automatisée. Cette approche pneumatique a été appliquée à des mesures spectrophotométriques par la méthode des additions connues effectuées directement sur le disque. Dans le même ordre d'idées, un autre système employant la fonction pneumatique a été développé pour effectuer des extractions liquide-liquide entre une phase liquide et une phase organique. Ceci a démontré que la plateforme centrifuge est capable non seulement d'effectuer des réactions chimiques complexes en plusieurs étapes, mais aussi de répéter les cycles de réactions et autres processus.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.117150 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Kong, Cher Rong Matthew |
| Contributors | Eric Dunbar Salin (Supervisor1) |
| 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 | Doctor of Philosophy (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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