Name: tandem mass spectrometry for biomolecule analysis
Uploaded: 2023-04-30T06:31:22.000Z
Duration: 7 min 9 s
Channel: JoVE

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Waves and Their Applications in Technologies for Information Transfer

HS-PS4-5

Tandem Mass Spectrometry

Em conjunto espectrometria de massa, uma biomolécula de interesse é isolada de uma amostra biológica, e então fragmentada em múltiplas subunidades, a fim de ajudar a elucidar sua composição e sequência. Isso é feito por ter espectrômetros de massa em série. O primeiro espectrômetro ioniza uma amostra e filtrar íons de uma proporção de massa específica para carga. Os íons filtrados são então fragmentados e passados para um segundo espectrômetro de massa onde os fragmentos são analisados.
Este vídeo introduz os princípios da espectrometria de massa tandem, incluindo métodos de seleção em massa e dissociação. Também é mostrado um procedimento geral para analisar um composto bioquímico usando espectrometria de massa tandem com dissociação induzida por colisão. A seção de aplicações abrange monitoramento de reação de seleção, determinação de modificações de pós-tradução de proteínas e detecção de níveis de tacrolimus no sangue.

espectrometria de massa em tandem

Em conjunto espectrometria de massa, uma biomolécula de interesse é isolada de uma amostra biológica, e então fragmentada em múltiplas subunidades, a fim de ajudar a elucidar sua composição e sequência. Isso é feito por ter espectrômetros de massa em série. O primeiro espectrômetro ioniza uma amostra e filtrar íons de uma proporção de massa específica para carga. Os íons filtrados são então fragmentados e passados para um segundo espectrômetro de massa onde os fragmentos são analisados.
Este vídeo introduz os princípios da espectrometria de massa tandem, incluindo métodos de seleção em massa e dissociação. Também é mostrado um procedimento geral para analisar um composto bioquímico usando espectrometria de massa tandem com dissociação induzida por colisão. A seção de aplicações abrange monitoramento de reação de seleção, determinação de modificações de pós-tradução de proteínas e detecção de níveis de tacrolimus no sangue.
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A espectrometria de massa tandem une múltiplos estágios de espectrometria de massa para primeiro isolar uma biomolécula e, em seguida, determinar aspectos de sua composição química. As biomoléculas possuem estruturas grandes e complexas, dificultando a determinação de sua composição molecular. A espectrometria de massa tandem seleciona uma molécula de interesse que é posteriormente fragmentada em múltiplas subunidades, o que pode ajudar a elucidar sua identificação e sequência. Este vídeo mostrará os conceitos de espectrometria de massa tandem, um procedimento geral, e alguns de seus usos na bioquímica.
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<div class="chapter_text" id="script_1">
A espectrometria de massa tandem começa como um instrumento típico de especificação de massa: com uma fonte de íons, que converte a amostra em íons, e um analisador de massa, que separa os íons com base em sua relação massa-carga. Um analisador de massa comum, o quadrupole, só permite íons com uma proporção específica através, enquanto os outros batem nas hastes do aparelho. A espécie permitida, chamada íon precursor, é a biomolécula de interesse. O íon se move para uma célula de colisão, tipicamente outro quadrúpole, onde a energia é aplicada para fragmentar o íon em um padrão previsível.
Esses fragmentos se movem para outro analisador em massa, como um tempo de voo, que separa esses "íons de produto". Os íons do produto são então enviados para o detector, como em um instrumento normal de MS. No caso de uma proteína desconhecida, o espectro resultante contém numerosos fragmentos sobrepostos, tornando difícil de gerar uma sequência completa definitiva da biomolécula. No entanto, o padrão espectral é único para uma determinada proteína. O software de análise compara o espectro a um banco de dados de sequências de peptídeos conhecidos, elucidando a proteína desconhecida dos fragmentos sobrepostos.
Dependendo da amostra e do grau desejado de fragmentação, são possíveis múltiplos métodos de fragmentação. Os padrões de fragmentação dependem de como a energia é transferida, sua quantidade e como ela é distribuída através do íon precursor. A energia pode ser transferida através de partículas neutras, radiação ou elétrons. Usando átomos neutros, um processo chamado dissociação induzida por colisão ou CID, principalmente se inclina na ligação peptídeo entre os aminoácidos, ideal para sua identificação.
Agora que o básico da técnica foi coberto, vamos olhar para a espectrometria de massa de CID tandem sendo usada para estudar um componente de envelopes de células bacterianas.
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Como em todos os experimentos espectrométricos de massa, o primeiro passo é ionizar a amostra. Para biomoléculas, isso é tipicamente feito com desagrecção assistida por laser matricial ou ionização eletrospray. O sinal de íon precursor é então otimizado pela sintonia da óptica de íon. Uma vez feito, o alvo é isolado e o método de fragmentação é escolhido, como CID.
A força de uma tensão aplicada, que acelera o íon precursor na célula de colisão, afeta o grau de fragmentação. Esta tensão é aumentada até que o precursor esteja aproximadamente 10% de abundância em comparação com o íon mais alto do produto. Vários espectros são adquiridos e mediados até que uma relação sinal-ruído suficiente seja alcançada. O número de varreduras necessárias depende da intensidade do sinal do íon precursor original e pode variar de 3 a 300.
O analito neste exemplo, lipídio A de Escherichia coli K-12, tinha 19 fragmentos principais após CID. A estrutura geral do Lipid A é bem conhecida, permitindo que o software reconstrua a composição específica da amostra.
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Agora que olhamos o procedimento, vamos ver algumas das maneiras que a espectrometria de massa é usada na bioquímica.
Um modo de varredura comum em espectrometria de massa em conjunto é o monitoramento de reação selecionado ou SRM. No SRM, ambos os analisadores em massa são fixados a uma relação de massa-carga selecionada, com foco em íons precursores e de produtos específicos. Devido ao alto grau de sensibilidade do SRM, os espectros de padrões de peptídeos de concentração conhecida podem ser utilizados e comparados com os das amostras desconhecidas, permitindo quantificar proteínas de interesse.
As proteínas são comumente modificadas após a tradução, tipicamente pela adição de grupos funcionais como grupos de metila, grupos de fosfato ou açúcares, conhecidos como glicanos. Estes são importantes nos processos de sinalização celular, elucidando como as células se comunicam entre si. Como a espectrometria de massa tandem fragmenta as proteínas em componentes menores, é possível determinar a localização do PTM para o fragmento específico ou mesmo um aminoácido. Algumas modificações, como acetilação e trimetilação, são difíceis de diferenciar apenas por massa, por isso a separação cromatografia é realizada antes da espectrometria de massa.
Muitos analitos no sangue do paciente são encontrados em concentrações abaixo do limite de detecção para espectrometria de massa típica. Outra vantagem do SRM é que ele descarta todos, exceto um íon de produto, aumentando a sensibilidade e aumentando o limite de detecção mais baixo em até 100 vezes. Neste exemplo, a droga imunossupressor, tacrolimus, poderia ser detectada a níveis de 1ng/mL.
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Você acabou de assistir o vídeo de JoVE sobre espectrometria de massa. Este vídeo descreveu a teoria do instrumento, passou por cima de um procedimento geral, e explicou algumas das maneiras que a técnica está sendo utilizada atualmente. Obrigado por assistir!
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Espectrometria de Massa em Tandem

In tandem mass spectrometry a biomolecule of interest is isolated from a biological sample, and then fragmented into multiple subunits in order to help ...

A espectrometria de massa em tandem une vários estágios da espectrometria de massa para primeiro isolar uma biomolécula e, em seguida, determinar aspectos de sua composição química. As biomoléculas têm estruturas grandes e complexas, dificultando a determinação de sua composição molecular. A espectrometria de massas em tandem seleciona uma molécula de interesse que é posteriormente fragmentada em múltiplas subunidades, o que pode ajudar a elucidar sua identificação e sequência. Este vídeo mostrará os conceitos de espectrometria de massa em tandem, um procedimento geral e alguns de seus usos em bioquímica. A espectrometria de massa em tandem começa como um instrumento típico de espectrometria de massa: com uma fonte de íons, que converte a amostra em íons, e um analisador de massa, que separa os íons com base em sua relação massa-carga. Um analisador de massa comum, o quadrupolo, só permite a passagem de íons com uma proporção específica, enquanto os outros colidem com as hastes do aparelho. A espécie permitida, chamada de íon precursor, é a biomolécula de interesse. O íon se move para uma célula de colisão, normalmente outro quadrupolo, onde a energia é aplicada para fragmentar o íon em um padrão previsível. Esses fragmentos se movem para outro analisador de massa, como um tempo de voo, que separa esses "íons de produto". Os íons do produto são então enviados para o detector, como em um instrumento MS normal. No caso de uma proteína desconhecida, o espectro resultante contém numerosos fragmentos sobrepostos, dificultando a geração de uma sequência completa definitiva da biomolécula. No entanto, o padrão espectral é único para uma determinada proteína. O software de análise compara o espectro a um banco de dados de sequências de peptídeos conhecidas, elucidando a proteína desconhecida dos fragmentos sobrepostos. Dependendo da amostra e do grau de fragmentação desejado, vários métodos de fragmentação são possíveis. Os padrões de fragmentação dependem de como a energia é transferida, sua quantidade e como ela é distribuída através do íon precursor. A energia pode ser transferida por meio de partículas neutras, radiação ou elétrons. Usando átomos neutros, um processo chamado dissociação induzida por colisão ou CID, cliva principalmente a ligação peptídica entre os aminoácidos, ideal para sua identificação. Agora que os fundamentos da técnica foram abordados, vejamos a espectrometria de massa em tandem CID sendo usada para estudar um componente dos envelopes de células bacterianas. Como em todos os experimentos de espectrometria de massa, o primeiro passo é ionizar a amostra. Para biomoléculas, isso normalmente é feito com dessorção a laser assistida por matriz ou ionização por eletrospray. O sinal do íon precursor é então otimizado pelo ajuste da óptica do íon. Uma vez feito, o destino é isolado e o método de fragmentação é escolhido, como CID. A força de uma tensão aplicada, que acelera o íon precursor na célula de colisão, afeta o grau de fragmentação. Essa tensão é aumentada até que o precursor tenha aproximadamente 10% de abundância em comparação com o íon de produto mais alto. Vários espectros são adquiridos e calculados até que uma relação sinal-ruído suficiente seja alcançada. O número de varreduras necessárias depende da intensidade do sinal do íon precursor original e pode variar de 3 a 300. O analito neste exemplo, lipídio A de Escherichia coli K-12, tinha 19 fragmentos principais após CID. A estrutura geral do lipídio A é bem conhecida, permitindo que o software reconstrua a composição específica da amostra. Agora que examinamos o procedimento, vamos ver algumas das maneiras pelas quais a espectrometria de massa em tandem é usada em bioquímica. Um modo de varredura comum na espectrometria de massa em tandem é o monitoramento de reação selecionado, ou SRM. No SRM, ambos os analisadores de massa são fixados em uma relação massa-carga selecionada, com foco em íons precursores e produtos específicos. Devido ao alto grau de sensibilidade do SRM, os espectros de padrões peptídicos de concentração conhecida podem ser utilizados e comparados com os de amostras desconhecidas, permitindo que proteínas de interesse sejam quantificadas. As proteínas são comumente modificadas após a tradução, normalmente pela adição de grupos funcionais, como grupos metil, grupos fosfato ou açúcares, conhecidos como glicanos. Estes são importantes nos processos de sinalização celular, elucidando como as células se comunicam umas com as outras. Como a espectrometria de massa em tandem fragmenta as proteínas em componentes menores, é possível determinar a localização do PTM no fragmento específico ou mesmo em um aminoácido. Algumas modificações, como acetilação e trimetilação, são difíceis de diferenciar apenas pela massa, então a separação cromatográfica é realizada antes da espectrometria de massa. Muitos analitos no sangue do paciente são encontrados em concentrações abaixo do limite de detecção para espectrometria de massa típica. Outra vantagem do SRM é que ele descarta todos os íons do produto, exceto um, aumentando a sensibilidade e aumentando o limite inferior de detecção em até 100 vezes. Neste exemplo, o medicamento imunossupressor, tacrolimus, pode ser detectado em níveis de 1 ng/mL. Você acabou de assistir ao vídeo de JoVE sobre espectrometria de massa em tandem. Este vídeo descreveu a teoria do instrumento, repassou um procedimento geral e explicou algumas das maneiras pelas quais a técnica está sendo utilizada atualmente. Obrigado por assistir!

Education

JoVE Science Education

Chemistry

Química

Biochemistry

Bioquímica

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 separates those ions by their mass-to-charge ratio, also called m/z. In a quadrupole, only ions with a chosen m/z pass through, while the others strike the rods. The selected precursor ion is the molecule of interest.

That ion moves into a collision cell, often another quadrupole, where energy breaks it apart in a predictable pattern. The fragments, called product ions, then enter a second mass analyzer such as a time-of-flight instrument. After separation, the detector records the signals. For an unknown protein, the spectrum can contain many overlapping fragments, but the pattern is still unique. Software can compare it with a database of known peptide sequences to identify the protein.

Different fragmentation methods can be used depending on the sample and the level of detail needed. The outcome depends on how energy is transferred, how much is transferred, and how it spreads through the precursor ion. Energy may come from neutral particles, radiation, or electrons. With collision-induced dissociation, or CID, neutral atoms are used and the peptide bond between amino acids is usually cleaved, which helps with identification.

CID tandem mass spectrometry can also be used to study a bacterial cell envelope component. In that example, the sample is first ionized by matrix assisted laser desorption or electrospray ionization. The precursor ion signal is then optimized by tuning the ion optics, and the target is isolated before CID is selected. The applied voltage controls how much fragmentation occurs, and it is increased until the precursor is about 10% as abundant as the highest product ion. Multiple scans are collected and averaged until the signal-to-noise ratio is strong enough. For lipid A from Escherichia coli K-12, 19 major fragments were observed, and its known structure let software reconstruct the composition.

Tandem mass spectrometry is also used for selected reaction monitoring, or SRM. In SRM, both mass analyzers are fixed to a chosen m/z so the instrument focuses on specific precursor and product ions. This high sensitivity makes it useful for comparing peptide standards of known concentration with unknown samples to measure proteins of interest. The method is also helpful for detecting post-translational modifications, or PTMs, such as methyl groups, phosphate groups, and sugars called glycans, which play roles in cell signaling. Because the sample is broken into smaller pieces, the modification can sometimes be placed on a specific fragment or amino acid.

Some PTMs, such as acetylation and trimethylation, are hard to tell apart by mass alone, so chromatographic separation is done before mass spectrometry. SRM can also improve detection of very low-level compounds in blood. By removing all but one product ion, it can raise sensitivity and lower the detection limit by up to 100 fold. In the example shown, the immunosuppressant tacrolimus was detected at 1 ng/mL.

Tandem Mass Spectrometry for Biomolecule Analysis

tandem-mass-spectrometry-for-biomolecule-analysis

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 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)

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...

biochemistry

Esta coleção apresenta métodos de purificação comumente usados, como cromatografia de afinidade, bem como métodos analíticos, como MALDI-TOF. Além disso, os vídeos mostram métodos para avaliar a interação e função de biomoléculas, como coimunoprecipitação e marcação metabólica.

Learn how tandem mass spectrometry isolates biomolecules, fragments them, and helps detect proteins, PTMs, and low-level drugs in blood.

Tandem Mass Spectrometry for Biomolecule Analysis | 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 Tandem Mass Spectrometry

Instrumental Operation

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

Tandem Mass Spectrometry for Biomolecule Analysis

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