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

K12 Standards

Next Generation Science Standards

High School

Physical Science

waves-and-their-applications-in-technologies-for-information-transfer

Waves and Their Applications in Technologies for Information Transfer

HS-PS4-5

Surface Plasmon Resonance (SPR)

Surface plasmon resonantie (SPR) is het onderliggende optische fenomeen achter label-vrije biosensoren om de moleculaire affiniteit, kinetiek, specificiteit en concentratie van biomoleculen te evalueren. In SPR komen biomoleculaire interacties voor op een biosensor gemaakt van een dunne laag metaal op een prisma. Real-time interacties van biomoleculen kunnen worden gemonitord door de veranderingen in het licht dat van de onderkant van het metaal wordt gereflecteerd te meten.
Deze video beschrijft de basisconcepten van SPR en hoe het wordt gebruikt om biomoleculaire interacties te analyseren en visualiseren. Dit wordt gevolgd door een voorbereiding van monsters en een experimenteel protocol voor het onderzoeken van bindingssnelheden met behulp van SPR. In de toepassingensectie worden SPR-beeldvorming, gelokaliseerde SPR en quantum dot verbeterde SPR onderzocht.

surface plasmon resonance (spr)

Surface plasmon resonantie (SPR) is het onderliggende optische fenomeen achter label-vrije biosensoren om de moleculaire affiniteit, kinetiek, specificiteit en concentratie van biomoleculen te evalueren. Bij SPR vinden biomoleculaire interacties plaats op een biosensor gemaakt van een dunne laag metaal op een prisma. Realtime-interacties van biomoleculen kunnen worden gemonitord door de veranderingen in het licht te meten dat van de onderkant van het metaal wordt gereflecteerd.
Deze video beschrijft de basisconcepten van SPR en hoe het wordt gebruikt om biomoleculaire interacties te analyseren en te visualiseren. Dit wordt gevolgd door een monstervoorbereiding en experimenteel protocol voor het onderzoeken van bindingssnelheden met behulp van SPR. In de toepassingensectie worden SPR-beeldvorming, gelokaliseerde SPR en kwantumdotverbeterde SPR onderzocht.
<div class="chapter_text" id="script_0">
Surface plasmon resonantie, of SPR, is het onderliggende fenomeen achter bepaalde label-vrije biosensoren voor het evalueren van bindings- en adsorptie-interacties van biomoleculen. Bindingstests die markering vereisen, zoals ELISA, kunnen een tijdrovend proces zijn en kunnen de functionaliteit van de analyt veranderen. Bij SPR vinden biomoleculaire interacties plaats op een speciale sensor gemaakt van een dunne laag metaal op een kant van een prisma. Door de veranderingen in het licht dat van de onderkant van het metaal wordt gereflecteerd, te monitoren, visualiseren SPR-instrumenten deze interacties in real-time zonder het gebruik van markeringen. Deze video introduceert de principes van SPR, een algemene procedure voor SPR-beeldvorming en enkele toepassingen in de biochemie.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_1">
Een SPR-sensor bestaat meestal uit een dunne laag van een edelmetaal bovenop de kant van een prisma. Om metingen van de sensor te doen, wordt het licht van de prisma-metaal-interface gereflecteerd in een fotodetector. Het gereflecteerde licht zal een hoge intensiteit hebben, behalve onder een bepaalde hoek, gerelateerd aan de elektronische eigenschappen van het metalen oppervlak, bekend als de "oppervlakteplasmonresonantiehoek".
Naarmate moleculen zich aan het oppervlak binden, veranderen de elektronische eigenschappen van het metaal, wat op zijn beurt de hoek aanpast. Naarmate nieuwe eiwitten zich hechten en complexen vormen, zal de hoek verder verschuiven. Door relatieve veranderingen in de SPR-hoek te meten, kunnen dergelijke interacties in real-time worden gemonitord.
Een andere techniek genaamd gelokaliseerde, of "L"SPR, gebruikt metaalnanodeeltjes als sensoroppervlak. De eigenschappen die de SPR-hoek beïnvloeden, zijn sterk gelokaliseerd op elk nanodeeltje, wat de gevoeligheid en signaalverheldering verbetert.
Bij het onderzoeken van bindingsinteracties met standaard SPR wordt de sensor meestal gemonteerd in een platform dat de bodem van een flowcel in het instrument wordt. De biomoleculen van belang worden door de flowcel gedragen door bufferoplossing. Het sensoroppervlak wordt vaak eerst bedekt met een substraat dat een hoge affiniteit heeft voor het metaal. Dit zorgt ervoor dat een aanzienlijke hoeveelheid ligand, die op zijn beurt bindt aan de analyt van belang, op de sensor wordt geïmmobiliseerd en verkleint de kans dat het ligand tijdens de procedure zal dissociëren.
Zodra het ligand op de sensor is geïmmobiliseerd, wordt de analyt in buffer over de sensor gevoerd. Door de verandering in de SPR-hoek in de tijd te monitoren terwijl de analyt zich bindt aan het ligand, kunnen de bindingssnelheid en andere kinetische informatie worden berekend.
De reflectiegegevens kunnen ook worden gebruikt voor SPR-beeldvorming, of SPRi, door het gereflecteerde licht naar een CCD-detector te leiden. Dit produceert een beeld met hoog contrast en hoge resolutie van het volledige sensoroppervlak. Met behulp van SPR en de gerelateerde technieken kunnen vragen worden beantwoord over moleculaire affiniteit, kinetiek, specificiteit en concentratie.
Nu u begrijpt wat er wordt gemeten in een SPR-experiment, laten we een procedure bekijken voor het onderzoeken van bindingssnelheden.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_2">
Voordat de procedure wordt begonnen, moeten de loop- en monsterstof worden voorbereid. De loopbuffer wordt gebruikt om het ligand op de sensor af te zetten en de monsterstof wordt gebruikt om de analyt af te zetten. De sensorchip wordt zorgvuldig gereinigd en in een huls geladen. Vervolgens wordt het apparaat in het instrument geplaatst, waar het de bodem van de flowcel wordt. De instrumentsoftware wordt ingesteld voor het experiment en de daaropvolgende analyse. Indien nodig wordt het sensoroppervlak voorbehandeld met een substraat om het ligand te vangen. Het ligand wordt in de loopbuffer over het sensoroppervlak gevoerd, waar het wordt vastgelegd door het substraat op het sensoroppervlak.
Vervolgens wordt de analyt in de monsterstof door de flowcel geleid, waar hij selectief bindt aan het geïmmobiliseerde ligand. De verandering in reflectie wordt uitgezet en vergeleken met controles om constante snelheden en andere reactiekinetische gegevens voor de onderzochte reactie te bepalen.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_3">
Nu u begrijpt hoe een SPR-experiment wordt uitgevoerd, laten we een paar andere toepassingen van SPR in de biochemie bekijken.
Hier werd SPR-beeldvorming gebruikt om eiwitten met een array van elf receptoren op een sensor te evalueren. 3D-grafieken van reflectiviteit versus tijd en receptorconcentratie werden opgesteld op basis van de reflectiviteitsgegevens voor elk eiwit. Deze "profielen" zijn kenmerkend voor elk eiwit en kunnen dus vervolgens worden gebruikt voor eiwitidentificatie.
In dit experiment werden celsecreties bestudeerd met behulp van een op maat gemaakte LSPR-sensor. De sensor was ook compatibel met SPRi en fluorescentiemicroscopie. Na het deponeren van de cel op de sensor, kon de interactie van celsecreties met de nanodeeltjesarray worden gemeten met hoge ruimtelijke resolutie.
Hier werd het gebruik van kwantumdots, nanoschalige halfgeleiders, als een SPR-signaalversterkingsmiddel vermengd met de analyt onderzocht. Deze verbeterde "nano-SPRi"-methode werd vergeleken met assays door standaard SPRi en de ELISA-methode. De nano-SPRi-methode verbeterde

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

Surface plasmon resonantie, of SPR, is het onderliggende fenomeen achter bepaalde label-vrije biosensoren voor het evalueren van bindings- en adsorptie-interacties van biomoleculen. Bindingstests die markering vereisen, zoals ELISA, kunnen een tijdrovend proces zijn en kunnen de functionaliteit van de analyt veranderen. Bij SPR vinden biomoleculaire interacties plaats op een speciale sensor gemaakt van een dunne laag metaal op één zijde van een prisma. Door de veranderingen in het licht dat van de onderkant van het metaal wordt gereflecteerd te monitoren, visualiseren SPR-instrumenten deze interacties in real-time zonder het gebruik van labels. Deze video introduceert de principes van SPR, een algemene procedure voor SPR-beeldvorming en enkele toepassingen in de biochemie.Een SPR-sensor bestaat meestal uit een dunne laag van een edelmetaal bovenop de zijde van een prisma. Om metingen van de sensor te nemen, wordt licht gereflecteerd van de prisma-metaalinterface in een fotodetector. Het gereflecteerde licht zal een hoge intensiteit hebben, behalve onder een bepaalde hoek, gerelateerd aan de elektronische eigenschappen van het metallische oppervlak, bekend als de "oppervlakteplasmonresonantiehoek".Naarmate moleculen zich aan het oppervlak binden, veranderen de elektronische eigenschappen van het metaal, wat op zijn beurt de hoek aanpast. Naarmate nieuwe eiwitten zich hechten en complexen vormen, zal de hoek verder verschuiven. Door relatieve veranderingen in de SPR-hoek te meten, kunnen dergelijke interacties in real-time worden gemonitord.Een andere techniek genaamd gelokaliseerde, of "L"SPR, gebruikt metalen nanodeeltjes als de sensoroppervlakte. De eigenschappen die de SPR-hoek beïnvloeden, zijn sterk gelokaliseerd op elk nanodeeltje, wat de gevoeligheid en signaalverheldering verbetert.Bij het onderzoeken van bindingsinteracties met standaard SPR, wordt de sensor meestal gemonteerd in een platform dat de vloer van een flowcel in het instrument wordt. De biomoleculen van belang worden door de flowcel gedragen door bufferoplossing. Het sensoroppervlak wordt vaak eerst bedekt met een substraat dat een hoge affiniteit heeft voor het metaal. Dit zorgt ervoor dat een aanzienlijke hoeveelheid ligand, dat op zijn beurt bindt aan de analyt van belang, wordt geïmmobiliseerd op de sensor en vermindert de kans dat het ligand tijdens de procedure dissocieert.Zodra het ligand is geïmmobiliseerd op de sensor, wordt de analyt over de sensor in buffer gevoerd. Door de verandering in de SPR-hoek in de loop van de tijd te monitoren terwijl de analyt aan het ligand bindt, kunnen de bindingssnelheid en andere kinetische informatie worden berekend.De reflectiegegevens kunnen ook worden gebruikt voor SPR-beeldvorming, of SPRi, door het gereflecteerde licht naar een CCD-detector te leiden. Dit produceert een afbeelding met hoge contrast en hoge resolutie van het volledige sensoroppervlak. Met behulp van SPR en de gerelateerde technieken kunnen vragen worden beantwoord over moleculaire affiniteit, kinetiek, specificiteit en concentratie.Nu u begrijpt wat er wordt gemeten in een SPR-experiment, laten we eens kijken naar een procedure voor het onderzoeken van bindingssnelheden.Voordat de procedure begint, moeten de loopbuffer en monsterbuffer worden bereid. De loopbuffer wordt gebruikt om het ligand op de sensor af te zetten, en de monsterbuffer wordt gebruikt om de analyt af te zetten. De sensorchip wordt zorgvuldig gereinigd en in een schede geladen. Vervolgens wordt het apparaat in het instrument geplaatst, waar het de bodem van de flowcel wordt. De instrumentsoftware wordt ingesteld voor het experiment en de daaropvolgende analyse. Indien nodig wordt het sensoroppervlak voorbereid met een substraat om het ligand te vangen. Het ligand wordt over het sensoroppervlak in de loopbuffer gevoerd, waar het wordt gevangen door het substraat op het sensoroppervlak.Vervolgens wordt het analyt in de monsterbuffer door de flowcel geleid, waar het selectief bindt aan het geïmmobiliseerde ligand. De verandering in reflectie wordt uitgeplot en vergeleken met controles om constante snelheden en andere reactiekinetische gegevens voor de onderzochte reactie te bepalen.Nu u begrijpt hoe een SPR-experiment wordt uitgevoerd, laten we eens kijken naar enkele andere toepassingen van SPR in de biochemie.Hier werd SPR-beeldvorming gebruikt om eiwitten te evalueren met een array van elf receptoren op een sensor. 3D-grafieken van reflectiviteit versus tijd en receptorconcentratie werden gemaakt op basis van de reflectiviteitsgegevens voor elk eiwit. Deze "profielen" zijn kenmerkend voor elk eiwit en kunnen dus vervolgens worden gebruikt voor eiwitidentificatie.In dit experiment werden celsecreties bestudeerd met behulp van een op maat gemaakte LSPR-sensor. De sensor was ook compatibel met SPRi en fluorescentiemicroscopie. Bij het deponeren van de cel op de sensor kon de interactie van celsecreties met de nanodeeltje-array met hoge ruimtelijke resolutie worden gemeten.Hier werd het gebruik van quantumdots, nanoschalige halfgeleiders, als een SPR-signaalverbeteringsmiddel gemengd met de analyt onderzocht. Deze verbeterde "nano-SPRi"-methode werd vergeleken met assays door standaard SPRi en de ELISA-methode. De nano-SPRi-methode verbeterde de gevoeligheid en detectielimiet aanzienlijk, terwijl deze nog steeds minder tijdrovend was dan de ELISA-methode.U hebt zojuist JoVE's video over surface plasmon resonantie bekeken. Dit fenomeen wordt gebruikt om biomoleculaire interacties te monitoren en af te beelden zonder het gebruik van labels. Deze video introduceerde de principes van SPR, een typisch protocol voor het uitvoeren van een SPR-experiment en enkele toepassingen van SPR in de biochemie.Bedankt voor het kijken!

Education

JoVE Science Education

Chemistry

Scheikunde

Biochemistry

Biochemie

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, 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

This collection presents commonly used purification methods, such as affinity chromatography, as well as analytical methods, like MALDI-TOF. In addition, the videos showcase methods for assessing biomolecule interaction and function, such as co-immunoprecipitation and metabolic labeling.

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 ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14721.jpg

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 ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14722.jpg

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 ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14724.jpg

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 ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14729.jpg

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 ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14727.jpg

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 ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/12772.jpg

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 ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/12783.jpg

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. ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/12784.jpg

Modes of Standing Waves: II

The starting point for expressing the modes of standing waves is understanding the boundary conditions that the waves must follow. The boundary conditions ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14723.jpg

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

Description

Transcript

Tags

More videos by Standards