Name: spr biosensors for tracking binding kinetics
Uploaded: 2023-04-30T06:31:51.000Z
Duration: 6 min 58 s
Channel: JoVE

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Waves and Their Applications in Technologies for Information Transfer

HS-PS4-5

Surface Plasmon Resonance (SPR)

La risonanza plasmonica di superficie (SPR) è il fenomeno ottico alla base dei biosensori privi di etichette per valutare l'affinità molecolare, la cinetica, la specificità e la concentrazione delle biomolecole. In SPR, le interazioni biomolecolari avvengono su un biosensore costituito da un sottile strato di metallo su un prisma. Le interazioni in tempo reale delle biomolecole possono essere monitorate misurando i cambiamenti di luce riflessa dalla parte inferiore del metallo.
Questo video descrive i concetti di base di SPR e come viene utilizzato per analizzare e visualizzare le interazioni biomolecolari. Questo è seguito da una preparazione del campione e da un protocollo sperimentale per studiare i tassi di legame utilizzando SPR. Nella sezione applicazioni vengono esplorati l'imaging SPR, l'SPR localizzato e l'SPR potenziato con punti quantici.

risonanza plasmonica di superficie

La risonanza plasmonica di superficie (SPR) è il fenomeno ottico alla base dei biosensori privi di etichette per valutare l'affinità molecolare, la cinetica, la specificità e la concentrazione delle biomolecole. In SPR, le interazioni biomolecolari avvengono su un biosensore costituito da un sottile strato di metallo su un prisma. Le interazioni in tempo reale delle biomolecole possono essere monitorate misurando i cambiamenti di luce riflessa dalla parte inferiore del metallo.
Questo video descrive i concetti di base di SPR e come viene utilizzato per analizzare e visualizzare le interazioni biomolecolari. Questo è seguito da una preparazione del campione e da un protocollo sperimentale per studiare i tassi di legame utilizzando SPR. Nella sezione applicazioni vengono esplorati l'imaging SPR, l'SPR localizzato e l'SPR potenziato con punti quantici.
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La risonanza plasmonica di superficie, o SPR, è il fenomeno alla base di alcuni biosensori privi di etichette per valutare le interazioni di legame e adsorbimento delle biomolecole. I saggi di associazione che richiedono l'etichettatura, come ELISA, possono essere un processo che richiede molto tempo e possono alterare la funzionalità dell'analita. In SPR, le interazioni biomolecolari avvengono su uno speciale sensore costituito da un sottile strato di metallo su una faccia di un prisma. Monitorando i cambiamenti di luce riflessi dalla parte inferiore del metallo, gli strumenti SPR visualizzano queste interazioni in tempo reale senza l'uso di etichette. Questo video introdurrà i principi di SPR, una procedura generale per l'imaging SPR e alcune applicazioni di in biochimica.
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<div class="chapter_text" id="script_1">
Un sensore SPR è solitamente costituito da un sottile strato di metallo nobile in cima alla faccia di un prisma. Per prendere le letture dal sensore, la luce viene riflessa dall'interfaccia prisma-metallo in un fotorivelatore. La luce riflessa avrà un'alta intensità tranne che ad un certo angolo, correlato alle proprietà elettroniche della superficie metallica, noto come "angolo di risonanza plasmonica di superficie".
Quando le molecole si legano alla superficie, le proprietà elettroniche del metallo cambiano, che a sua volta regola l'angolo. Man mano che le nuove proteine si attaccano, formando complessi, l'angolo si sposterà ulteriormente. Misurando i cambiamenti relativi nell'angolo SPR, interazioni come queste possono essere monitorate in tempo reale.
Un'altra tecnica chiamata localizzata, o "L"SPR, utilizza nanoparticelle metalliche come superficie del sensore. Le proprietà che influenzano l'angolo SPR sono altamente localizzate in ogni nanoparticella, il che migliora la sensibilità e la risoluzione del segnale.
Quando si studiano le interazioni di legame con SPR standard, il sensore è generalmente montato in una piattaforma che diventa il pavimento di una cella di flusso nello strumento. Le biomolecole di interesse vengono trasportate attraverso la cella di flusso mediante soluzione tampone. La superficie del sensore viene spesso prima rivestita con un substrato che ha un'alta affinità per il metallo. Ciò garantisce che una quantità significativa di ligando, che a sua volta si lega all'analita di interesse, sarà immobilizzata sul sensore e riduce la probabilità che il ligando si dissoci durante la procedura.
Una volta che il ligando è immobilizzato sul sensore, l'analita viene fatto scorrere sul sensore nel buffer. Monitorando la variazione dell'angolo SPR nel tempo mentre l'analita si lega al ligando, è possibile calcolare la velocità di legame e altre informazioni cinetiche.
I dati di riflettanza possono anche essere utilizzati per l'imaging SPR, o SPRi, dirigendo la luce riflessa verso un rilevatore CCD. Ciò produce un'immagine ad alto contrasto e ad alta risoluzione dell'intera superficie del sensore. Utilizzando SPR e le tecniche correlate, è possibile rispondere a domande sull'affinità molecolare, la cinetica, la specificità e la concentrazione.
Ora che hai capito cosa viene misurato in un esperimento SPR, diamo un'occhiata a una procedura per indagare i tassi di legame.
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<div class="chapter_text" id="script_2">
Prima di iniziare la procedura, è necessario preparare i buffer in esecuzione e di esempio. Il buffer in esecuzione viene utilizzato per depositare il ligando sul sensore e il buffer del campione viene utilizzato per depositare l'analita. Il chip del sensore viene accuratamente pulito e caricato in una guaiina. Quindi, il dispositivo viene inserito nello strumento, dove diventa il fondo della cella di flusso. Il software dello strumento è impostato per l'esperimento e la successiva analisi. Se necessario, la superficie del sensore viene innescata con un substrato per catturare il ligando. Il ligando viene fatto scorrere sulla superficie del sensore nel buffer di corsa, dove viene catturato dal substrato sulla superficie del sensore.
Quindi, l'analita nel buffer del campione viene fatto scorrere attraverso la cella di flusso, dove si lega selettivamente al ligando immobilizzato. Il cambiamento nella riflettanza viene tracciato e confrontato con i controlli per determinare le costanti di velocità e altri dati di cinetica di reazione per la reazione studiata.
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<div class="chapter_text" id="script_3">
Ora che hai capito come viene eseguito un esperimento SPR, diamo un'occhiata ad alcune altre applicazioni di SPR in biochimica.
Qui, l'imaging SPR è stato utilizzato per valutare le proteine con una serie di undici recettori su un sensore. I grafici 3D della riflettività rispetto al tempo e alla concentrazione del recettore sono stati preparati dai dati di riflettività per ciascuna proteina. Questi "profili" sono caratteristici di ogni proteina e quindi potrebbero essere successivamente utilizzati per l'identificazione delle proteine.
In questo esperimento, le secrezioni cellulari sono state studiate utilizzando un sensore LSPR su misura. Il sensore era anche compatibile con SPRi e microscopia a fluorescenza. Dopo aver depositato la cellula sul sensore, l'interazione delle secrezioni cellulari con l'array di nanoparticelle potrebbe essere misurata con un'alta risoluzione spaziale.
Qui è stato studiato l'uso di punti quantici, semiconduttori su scala nanometrica, come agente di miglioramento del segnale SPR mescolato con l'analita. Questo metodo avanzato "nano-SPRi" è stato confrontato con i saggi con SPRi standard e il metodo ELISA. Il metodo nano-SPRi ha migliorato significativamente la sensibilità e il limite di rilevamento, pur essendo meno dispendioso in termini di tempo rispetto al metodo ELISA.
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<div class="chapter_text" id="script_4">
Hai appena visto il video di JoVE sulla risonanza plasmonica di superficie. Questo fenomeno viene utilizzato per monitorare e immaginare le interazioni biomolecolari senza l'uso di etichette. Questo video ha introdotto i principi di SPR, un protocollo tipico per l'esecuzione di un esperimento SPR, e alcune applicazioni di SPR in biochimica.
Grazie per l'attenzione!
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Risonanza plasmonica di superficie

Surface plasmon resonance (SPR) is the underlying optical phenomenon behind label-free biosensors to evaluate the molecular affinity, kinetics, ...

La risonanza plasmonica di superficie, o SPR, è il fenomeno alla base di alcuni biosensori label-free per la valutazione delle interazioni di legame e adsorbimento delle biomolecole. I saggi di legame che richiedono la marcatura, come l'ELISA, possono richiedere molto tempo e possono alterare la funzionalità dell'analita. Nella SPR, le interazioni biomolecolari avvengono su uno speciale sensore costituito da un sottile strato di metallo su una faccia di un prisma. Monitorando i cambiamenti nella luce riflessa dalla parte inferiore del metallo, gli strumenti SPR visualizzano queste interazioni in tempo reale senza l'uso di etichette. Questo video introdurrà i principi dell'SPR, una procedura generale per l'imaging SPR e alcune applicazioni in biochimica. Un sensore SPR è solitamente costituito da un sottile strato di un metallo nobile sopra la faccia di un prisma. Per effettuare le letture dal sensore, la luce viene riflessa dall'interfaccia prisma-metallo in un fotorilevatore. La luce riflessa avrà un'intensità elevata tranne che ad un certo angolo, correlato alle proprietà elettroniche della superficie metallica, noto come "angolo di risonanza plasmonica superficiale". Quando le molecole si legano alla superficie, le proprietà elettroniche del metallo cambiano, il che a sua volta regola l'angolo. Man mano che nuove proteine si attaccano, formando complessi, l'angolo si sposterà ulteriormente. Misurando le variazioni relative dell'angolo SPR, interazioni come queste possono essere monitorate in tempo reale. Un'altra tecnica chiamata localizzata, o "L"SPR, utilizza nanoparticelle metalliche come superficie del sensore. Le proprietà che influenzano l'angolo SPR sono altamente localizzate su ciascuna nanoparticella, il che migliora la sensibilità e la risoluzione del segnale. Quando si studiano le interazioni di legame con l'SPR standard, il sensore è generalmente montato in una piattaforma che diventa il pavimento di una cella di flusso nello strumento. Le biomolecole di interesse vengono trasportate attraverso la cella di flusso da una soluzione tampone. La superficie del sensore viene spesso prima rivestita con un substrato che ha un'elevata affinità per il metallo. Ciò garantisce che una quantità significativa di ligando, che a sua volta si lega all'analita di interesse, venga immobilizzata sul sensore e riduce la probabilità che il ligando si dissoci durante la procedura. Una volta che il ligando è immobilizzato sul sensore, l'analita viene fatto scorrere sul sensore in tampone. Monitorando la variazione dell'angolo SPR nel tempo mentre l'analita si lega al ligando, è possibile calcolare il tasso di legame e altre informazioni cinetiche. I dati di riflettanza possono essere utilizzati anche per l'imaging SPR, o SPRi, dirigendo la luce riflessa verso un rivelatore CCD. In questo modo si ottiene un'immagine ad alto contrasto e ad alta risoluzione dell'intera superficie del sensore. Utilizzando SPR e le tecniche correlate, è possibile rispondere a domande su affinità molecolare, cinetica, specificità e concentrazione. Ora che hai capito cosa viene misurato in un esperimento SPR, diamo un'occhiata a una procedura per indagare sui tassi di binding. Prima di iniziare la procedura, è necessario preparare i tamponi di corsa e di campionamento. Il tampone di corsa viene utilizzato per depositare il ligando sul sensore e il tampone campione viene utilizzato per depositare l'analita. Il chip del sensore viene accuratamente pulito e caricato in una guaina. Quindi, il dispositivo viene inserito nello strumento, dove diventa il fondo della cella di flusso. Il software dello strumento è predisposto per l'esperimento e la successiva analisi. Se necessario, la superficie del sensore viene innescata con un substrato per catturare il ligando. Il ligando viene fatto scorrere sulla superficie del sensore nel tampone di corsa, dove viene catturato dal substrato sulla superficie del sensore. Quindi, l'analita nel tampone del campione viene fatto passare attraverso la cella di flusso, dove si lega selettivamente al ligando immobilizzato. La variazione della riflettanza viene tracciata e confrontata con i controlli per determinare le costanti di velocità e altri dati sulla cinetica di reazione per la reazione studiata. Ora che hai capito come viene eseguito un esperimento SPR, diamo un'occhiata ad alcune altre applicazioni dell'SPR in biochimica. In questo caso, l'imaging SPR è stato utilizzato per valutare le proteine con una serie di undici recettori su un sensore. I grafici 3D della riflettività rispetto al tempo e alla concentrazione del recettore sono stati preparati dai dati di riflettività per ciascuna proteina. Questi "profili" sono caratteristici di ogni proteina e quindi potrebbero essere successivamente utilizzati per l'identificazione delle proteine. In questo esperimento, le secrezioni cellulari sono state studiate utilizzando un sensore LSPR su misura. Il sensore era anche compatibile con SPRi e la microscopia a fluorescenza. Dopo aver depositato la cella sul sensore, l'interazione delle secrezioni cellulari con l'array di nanoparticelle può essere misurata con un'elevata risoluzione spaziale. Qui, è stato studiato l'uso di punti quantici, semiconduttori su scala nanometrica, come agente di potenziamento del segnale SPR miscelato con l'analita. Questo metodo "nano-SPRi" potenziato è stato confrontato con i saggi SPRi standard e con il metodo ELISA. Il metodo nano-SPRi ha migliorato significativamente la sensibilità e il limite di rilevamento, pur essendo meno dispendioso in termini di tempo rispetto al metodo ELISA. Hai appena visto il video di JoVE sulla risonanza plasmonica di superficie. Questo fenomeno viene utilizzato per monitorare e visualizzare le interazioni biomolecolari senza l'uso di etichette. Questo video ha introdotto i principi dell'SPR, un protocollo tipico per l'esecuzione di un esperimento SPR, e alcune applicazioni dell'SPR in biochimica. Grazie per l'attenzione!

Education

Didattica

JoVE Science Education

Chemistry

Chimica

Biochemistry

Biochimica

spr biosensors for tracking binding kinetics

Surface plasmon resonance, or SPR, is a way to track biomolecular binding on a label-free biosensor. It is used to measure molecular affinity, kinetics, specificity, and concentration. The method works with a thin metal layer on a prism, where changes in reflected light reveal interactions in real time.

SPR sensors use a thin layer of a noble metal on the face of a prism. Light is reflected from the prism-metal interface into a photodetector. At one specific angle, called the surface plasmon resonance angle, the reflected light drops in intensity. When molecules bind to the metal surface, the electronic properties change and the angle shifts. As more proteins attach and form complexes, the shift becomes larger.

A related method, localized SPR, or LSPR, uses metal nanoparticles as the sensor surface. Because the sensing effect is highly local around each nanoparticle, LSPR can improve sensitivity and signal resolution. SPR data can also be turned into images with SPR imaging, or SPRi, by sending the reflected light to a CCD detector. This creates a high-contrast, high-resolution image of the full sensor surface.

For a standard SPR binding assay, the sensor is mounted in a platform that forms the floor of a flow cell. Biomolecules are carried through the flow cell in buffer solution. The sensor surface is often coated first with a substrate that binds the metal well. This helps immobilize the ligand, which is the molecule that will capture the analyte, and lowers the chance that the ligand will dissociate during the run. After the ligand is attached, the analyte is flowed over the sensor in buffer, and the change in SPR angle is recorded over time to calculate binding rates and other kinetic data.

Before the experiment begins, the running buffer and sample buffer must be prepared. The running buffer is used to deposit the ligand onto the sensor, and the sample buffer is used to deposit the analyte. The sensor chip is cleaned, loaded into a sheath, and placed into the instrument. The software is then set up for data collection and analysis. If needed, the surface is primed with a capture substrate. The ligand is then captured, the analyte is run through the flow cell, and the reflectance change is compared with controls to determine rate constants and other reaction kinetics.

SPR is also useful in several biochemistry applications. In one SPR imaging example, proteins were tested with an array of eleven receptors on a sensor, and 3D graphs of reflectivity versus time and receptor concentration were made for each protein. These reflectivity profiles were characteristic of each protein and could be used for identification. In another study, cell secretions were measured with a custom LSPR sensor that also worked with SPRi and fluorescence microscopy. A further application used quantum dots, which are nanoscale semiconductors, to enhance the SPR signal in a method called nano-SPRi. Compared with standard SPRi and ELISA, nano-SPRi improved sensitivity and the limit of detection while still taking less time than ELISA.

SPR Biosensors for Tracking Binding Kinetics

dialysis: diffusion based separation

Dialysis for Buffer Exchange in Biochemistry

Dialysis is a common biochemistry technique for buffer exchange and desalting. It separates molecules by diffusion through a semipermeable membrane, which lets small molecules pass while holding larger biomolecules inside the sample. The membrane is the key part of the setup. Its pores create a molecular weight cutoff, so a membrane such as a 10 kDa membrane usually keeps molecules larger than 10 kilodaltons inside. This cutoff is not exact, because membranes have a range of pore sizes.

enzyme assays and kinetics

Measuring Enzyme Reaction Rates

Enzyme reaction rates can be measured with assays that track how substrate or product levels change over time. Enzymes are proteins, or sometimes RNAs, that speed up chemical reactions by lowering the activation energy needed to start them. They act on a specific substrate and help form a product that supports life processes. Enzymatic reactions are often described in three steps. First, the substrate binds to the enzyme active site and forms an enzyme-substrate complex. That complex can fall...

maldi-tof mass spectrometry

How MALDI-TOF Reads Biomolecules

MALDI-TOF mass spectrometry reads biomolecules by using a laser, a matrix, and a time-of-flight analyzer. MALDI, or matrix-assisted laser desorption ionization, helps fragile molecules keep their structure while they are moved into the mass analyzer. The analyzer then separates compounds based on size and charge. In MALDI, the sample is mixed into a matrix, usually an organic compound with aromatic and conjugated double bonds. A laser pulse strikes the spot, and the matrix absorbs most of the...

tandem mass spectrometry

Tandem Mass Spectrometry for Biomolecule Analysis

Tandem mass spectrometry is used to isolate a biomolecule and break it into smaller pieces so its makeup can be studied. Because biomolecules often have large, complex structures, it can be hard to identify their molecular composition and sequence from a single measurement. By linking mass spectrometers in series, the technique first selects one ion and then analyzes the fragments it produces. The process starts with an ion source that converts the sample into ions. A mass analyzer then...

protein crystallization

Protein Crystals for Structure Analysis

Protein crystals help scientists study protein structure and function. A crystal is a solid lattice made from purified protein molecules. These crystals are useful in structural biology because they reveal details that methods like mass spectrometry and SDS-PAGE cannot show on their own. Protein crystallization is paired with recombinant protein expression and x-ray diffraction to support this work. The process starts with a large amount of very pure protein. Researchers often make that...

chromatography-based biomolecule purification methods

chromatography-based-biomolecule-purification-methods

Protein Purification with SEC and IMAC

Protein purification with size-exclusion chromatography and affinity chromatography helps isolate biomolecules from complex mixtures. These methods are common in biochemistry because purified samples are needed before a biomolecule’s properties and activity can be studied. The video focuses on the principles behind size-exclusion chromatography, affinity chromatography, and immobilized metal affinity chromatography, or IMAC. Size-exclusion chromatography, or SEC, separates molecules by size. A...

two-dimensional gel electrophoresis

Protein Mapping with 2D Gel Electrophoresis

Protein mapping with 2D gel electrophoresis separates complex protein mixtures across two steps. The method combines isoelectric focusing, or IEF, with sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis, or SDS-PAGE. Together, these methods can resolve thousands of biomolecules from a single sample by their isoelectric point and molecular weight. The first dimension is IEF. Each protein has an isoelectric point, or pI, which is the pH where its net charge is zero. Proteins are loaded...

metabolic labeling

Tracking Cell Chemistry with Metabolic Labels

Metabolic labeling tracks cell chemistry by using chemical analogs that cells take up and build into biomolecules. These labels help scientists follow biochemical changes and modifications inside cells. The labeled products can then be studied with tools such as SDS-PAGE and NMR to learn more about metabolic pathways. Several labeling strategies are shown here. Isotopic labeling uses analogs that match the natural molecule but contain uncommon isotopes, such as carbon-13 and nitrogen-15 in an...

electrophoretic mobility shift assay (emsa)

electrophoretic-mobility-shift-assay-emsa

Detecting Protein-DNA Binding by EMSA

Electrophoretic mobility shift assay, or EMSA, is a biochemical method used to detect binding between proteins and nucleic acids. It is also called a gel shift assay. The test compares how a labeled nucleic acid moves through a gel before and after it binds a protein. EMSA is used to see whether a specific protein binds to a specific nucleic acid. First, the nucleic acid is labeled to make a probe. The transcript describes radioactive phosphorus-32 as a common label. The probe is then mixed...

photometric protein determination

Measuring Protein Concentration with Absorbance

Measuring protein concentration with absorbance is a key step in many biochemical assays. Photometric methods use the fact that samples with more light-absorbing material transmit less light. Because concentration and absorption are directly related, this makes it possible to measure an unknown sample. The core idea comes from the Beer-Lambert Law. This law states that the concentration of a light-absorbing species is proportional to its absorbance. The video also introduces the Bradford assay...

density gradient ultracentrifugation

Sucrose Gradient Separation in an Ultracentrifuge

Sucrose gradient separation in an ultracentrifuge is a lab method for isolating cell parts and biomolecules. It uses differences in density to make particles sink or rise in a liquid. A high-speed ultracentrifuge speeds up this process so components can be separated without destroying them. The basic idea starts with a suspension, which is particles mixed in a liquid solvent. Particles that are denser than the solvent sediment, while less dense particles float. A rotor inside the...

co-immunoprecipitation and pull-down assays

co-immunoprecipitation-and-pull-down-assays

Protein Interaction Capture Methods in Cells

Co-immunoprecipitation and pull-down assays are laboratory methods used to capture stable protein-protein interactions. Protein-protein interactions help control many biological functions, but many of them have not yet been identified. These assays are related to immunoprecipitation, which isolates a target protein from a mixed sample using an antibody. In co-immunoprecipitation, or CoIP, an antibody binds the target protein, and that protein is already attached to another protein that the...

reconstitution of membrane proteins

Membrane Proteins in Liposome Models

Membrane proteins can be moved into liposome models so their function can be studied outside a cell. Reconstitution means restoring an isolated biomolecule to a working form. For membrane proteins, that usually means placing a purified protein into an artificial lipid membrane. Cell membranes are made mainly of phospholipids and membrane proteins. The phospholipids form a bilayer with hydrophilic phosphate heads facing water and hydrophobic fatty acid tails facing inward. Some membrane...

f&#246;rster resonance energy transfer (fret)

FRET as a Molecular Ruler in Cells

Föster resonance energy transfer, or FRET, is a way to study close-range biochemical interactions using light-emitting molecules. A donor fluorophore can pass energy to an acceptor fluorophore when their emission and absorption spectra overlap. This transfer happens only when the pair is very close together, usually within 10 nm. Because FRET depends on distance, it is often called a molecular or spectroscopic ruler. The strength of the signal is measured as FRET efficiency, which describes...

surface plasmon resonance (spr)

Surface plasmon resonance, or SPR, is a way to track biomolecular binding on a label-free biosensor. It is used to measure molecular affinity, kinetics, specificity, and concentration. The method works with a thin metal layer on a prism, where changes in reflected light reveal interactions in real time. SPR sensors use a thin layer of a noble metal on the face of a prism. Light is reflected from the prism-metal interface into a photodetector. At one specific angle, called the surface plasmon...

biochemistry

Questa collezione descrive i metodi di purificazione più comunemente utilizzati, come la cromatografia per affinità, così come i metodi analitici, come il MALDI-TOF. Inoltre, i video mostrano i metodi per valutare l'interazione e la funzione delle biomolecole, quali la co-immunoprecipitazione e l'etichettatura metabolica.

Explore how SPR biosensors track biomolecular binding in real time, measure kinetics, and support imaging methods such as SPRi and LSPR.

SPR Biosensors for Tracking Binding Kinetics | JoVE K12

new-york-state-science-learning-standards

New York State Science Learning Standards

HS. Waves and Electromagnetic Radiation

HS-PS4-5.

Life Science

matter-and-energy-in-organisms-and-ecosystems

Matter and Energy in Organisms and Ecosystems

HS-LS1-6.

Overview

Principles of SPR

SPR Sample Preparation and Experimental Protocol

Applications

Summary

Travelling Waves

A wave is a disturbance that propagates from its source, repeating itself periodically, and is typically associated with simple harmonic motion. ...

Wave Parameters

The simplest mechanical waves are associated with simple harmonic motion and repeat themselves for several cycles. These simple harmonic waves can be ...

Equations of Wave Motion

Mathematically, the motion of a wave can be studied using a wavefunction. Consider a string oscillating up and down in simple harmonic motion, having a ...

Graphing the Wave Function

Consider the wave equation for a sinusoidal wave moving in the positive x-direction. The wave equation is a function of both position and time. From the ...

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Velocity and Acceleration of a Wave

A wave propagates through a medium with a constant speed, known as a wave velocity. It is different from the speed of the particles of the medium, which ...

Speed of a Transverse Wave

The speed of a wave depends on the characteristics of the medium. For example, in the case of a guitar, the strings vibrate to produce the sound. The ...

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Kinetic and Potential Energy of a Wave

All forms of waves carry energy; this is directly visualized in nature. For instance, the waves of earthquakes are so intense that they can shake huge ...

Energy and Power of a Wave

The total energy associated with a wavelength is the sum of the potential energy and the kinetic energy. The average rate of energy transfer associated ...

Propagation of Waves

When a wave propagates from one medium to another, part of it may get reflected in the first medium, and part of it may get transmitted to the second ...

Sound Waves

Sound waves can be thought of as fluctuations in the pressure of a medium through which they propagate. Since the pressure also makes the medium&#39;s ...

Sound as Pressure Waves

Sound waves, which are longitudinal waves, can be modeled as the displacement amplitude varying as a function of the spatial and temporal coordinates. As ...

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Speed of Sound in Solids and Liquids

Most solids and liquids are incompressible&#8212;their densities remain constant throughout. In the presence of an external force, the molecules tend to ...

Speed of Sound in Gases

The speed of sound in a gaseous medium depends on various factors. Since gases constitute molecules that are free to move, they are highly compressible. ...

Doppler Effect - I

The Doppler effect and Doppler shift were named after the Austrian physicist and mathematician Christian Johann Doppler in 1842, who conducted experiments ...

Doppler Effect - II

The Doppler effect has several practical, real-world applications. For instance, meteorologists use Doppler radars to interpret weather events based on ...

Shock Waves

While deriving the Doppler formula for the observed frequency of a sound wave, it is assumed that the speed of sound in the medium is greater than the ...

Echo

The human ear cannot distinguish between two sources of sound if they happen to reach within a specific time interval, typically 0.1 seconds apart. More ...

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Electromagnetic Waves

James Clerk Maxwell formulated a single theory combining all the electric and magnetic effects scientists knew during that time, calling the phenomena his ...

Generating Electromagnetic Radiations

The German physicist Heinrich Hertz (1857&#8211;1894) was the first to generate and detect certain types of electromagnetic waves in the laboratory. ...

Electromagnetic Wave Equation

Maxwell&#39;s equations for electromagnetic fields are related to source charges, either static or moving. These fields act on a test charge, whose ...

propagation-speed-of-electromagnetic-waves

Propagation Speed of Electromagnetic Waves

Electromagnetic waves are consistent with Ampere&#39;s law. Assuming there is no conduction current Ampere&#39;s law is given as:


Consider a plane ...

Electromagnetic Waves in Matter

Electromagnetic waves can travel in the vacuum as well as in matter. For example light, which is an electromagnetic wave, can travel through air, water, ...

Energy Carried By Electromagnetic Waves

Anyone who has used a microwave oven knows there is energy in electromagnetic waves. Sometimes, this energy is obvious, such as in the summer sun&#39;s ...

The Wave Nature of Light

The nature of light has been a subject of inquiry since antiquity. In the seventeenth century, Isaac Newton performed experiments with lenses and prisms ...

Use mathematical representations to support a claim regarding relationships among the frequency, wavelength, and speed of waves traveling in various media. [Clarification Statement: Examples of data could include electromagnetic radiation traveling in a vacuum and glass, sound waves traveling through air and water, and seismic waves traveling through the earth.] [Assessment Boundary: Assessment is limited to algebraic relationships and describing those relationships qualitatively.]

HS-PS4-1

The Electromagnetic Spectrum

Electromagnetic waves are categorized according to their wavelengths and frequencies, giving the electromagnetic spectrum. These waves are classified as ...

Classification of Signals

Signals are categorized as Continuous-time or discrete-time, Periodic or aperiodic, Analog or digital, and Causal or noncausal.
A continuous-time signal ...

Discrete Fourier Transform

Consider a vibration sensor that continuously captures data in the form of a continuous time-dependent signal.
However, in reality, the sensor can only ...

Discrete-Time Fourier Series

The Discrete-Time Fourier Series is a counterpart to the Fourier-series expansion of continuous-time periodic signals.
Calculating the expansion ...

Sampling Theorem

Consider the continuous-time signal x(t), and a train of impulses where Ts,&#xA0; is the sampling interval, and fs, is the sampling frequency.
Multiplying ...

Properties of Fourier Transform I

In radio broadcasting, Fourier Transform properties are applied in simultaneous multi-channel transmission, adjusting audio clip speeds, live broadcast ...

Signal and System

Signals are sets of data or information.
One-dimensional signals include single-variable functions, such as the variations in air pressure over time in ...

Methods of Documentation VII: EMR

Electronic Medical Records (EMRs) primarily center around electronically documenting patients&#39; health information within a single healthcare ...

Fast Fourier Transform

The Fast Fourier Transform, FFT, is a computational algorithm for calculating the Discrete Fourier Transform by breaking the calculations into smaller, ...

reconstruction-of-signal-using-interpolation

Reconstruction of Signal using Interpolation

Consider a continuous signal and its sampled counterpart with a sampling period T.
Applying a zero-order hold to the sampled signal results in a piecewise ...

Downsampling

Consider a sampled sequence with zero values between sampling instants. Replace it by taking every N-th value of the sampled sequence.
The original and ...

Design Example

An engineer designs a circuit for a speaker system with a 2 kHz crossover frequency requirement, considering the speaker&#39;s resistance of 8 ohms.
The ...

Upsampling

Consider a decimated signal with a reduced frequency range due to its lower sampling rate.
Insert zeros between each sample to upsample, that introduces ...

Properties of DTFT I

Consider two discrete-time signals, each with their respective Discrete-Time Fourier Transforms DTFTs.
The signals are first multiplied by constants a and ...

Relation of DFT to z-Transform

The Discrete Fourier Transform (DFT) analyzes the frequency content of discrete-time signals.
It maps the N-sampled discrete time-domain sequence to its ...

Feedback control systems

Feedback control systems are categorized as linear or nonlinear, time-varying or time-invariant, and classified by signal types as continuous or ...

Properties of the z-Transform I

Certain properties provide a solid foundation for analyzing discrete-time systems using the Z-transform.
Considering two discrete-time signals, the ...

Magnetic Resonance Imaging

Magnetic resonance imaging (MRI) is a noninvasive medical imaging technique based on a phenomenon of nuclear physics discovered in the 1930s, in which ...

Evaluate questions about the advantages of using digital transmission and storage of information. [Clarification Statement: Examples of advantages could include that digital information is stable because it can be stored reliably in computer memory, transferred easily, and copied and shared rapidly. Disadvantages could include issues of easy deletion, security, and theft.]

HS-PS4-2

Interference and Superposition of Waves

When two waves of the same nature occur in the same region simultaneously, they result in interference. Interference of waves implies that the net effect ...

Sound Waves: Interference

Sound waves can be modeled either as longitudinal waves, wherein the molecules of the medium oscillate around an equilibrium position, or as pressure ...

Interference: Path Lengths

Consider two sources of sound, that may or may not be in phase, emitting waves at a single frequency, and consider the frequencies to be the same.
Two ...

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concept-of-resonance-and-its-characteristics

Concept of Resonance and its Characteristics

If a driven oscillator needs to resonate at a specific frequency, then very light damping is required. An example of light damping includes playing piano ...

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Sound Waves: Resonance

Resonance is produced depending on the boundary conditions imposed on a wave. Resonance can be produced in a string under tension with symmetrical ...

Reflection of Waves

When a wave travels from one medium to another, it gets reflected at the boundary of the second medium. A common example of this is when a person yells at ...

Standing Waves

Sometimes waves do not seem to move; rather, they just vibrate in place. Unmoving waves can be seen on the surface of a glass of milk kept in a ...

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Modes of Standing Waves - I

A close look at earthquakes provides evidence for the conditions appropriate for resonance, standing waves, and constructive and destructive interference. ...

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Evaluate the claims, evidence, and reasoning behind the idea that electromagnetic radiation can be described either by a wave model or a particle model, and that for some situations one model is more useful than the other. [Clarification Statement: Emphasis is on how the experimental evidence supports the claim and how a theory is generally modified in light of new evidence. Examples of a phenomenon could include resonance, interference, diffraction, and photoelectric effect.] [Assessment Boundary: Assessment does not include using quantum theory.]

HS-PS4-3

SPR Biosensors for Tracking Binding Kinetics

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