Name: how maldi-tof reads biomolecules
Uploaded: 2023-04-30T06:31:26.000Z
Duration: 7 min 27 s
Channel: JoVE

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High School

Physical Science

HS. Waves and Electromagnetic Radiation

HS-PS4-5.

MALDI-TOF Mass Spectrometry

A ionização de desorpção a laser assistida por matriz (MALDI) é uma fonte de íons de espectrometria de massa ideal para a análise de biomoléculas. Em vez de compostos ionizantes no estado gasoso, as amostras são incorporadas em uma matriz, que é atingida por um laser. A matriz absorve a maior parte da energia; parte dessa energia é então transferida para a amostra, que ioniza como resultado. Os íons de amostra podem então ser identificados usando um analisador de tempo de voo (TOF).
Este vídeo abrange princípios do MALDI-TOF, incluindo a seleção de matrizes e como o TOF é usado para elucidar as relações massa-carga. Este procedimento mostra a preparação de uma placa MALDI, o carregamento de amostras na placa e o funcionamento do espectrômetro de massa TOF. Na seção final, são mostradas aplicações e variações, incluindo análise de células inteiras, caracterização de amostras biológicas complexas e ionização de spray de elétrons.

espectrometria de massa maldi-tof

A ionização de desorpção a laser assistida por matriz (MALDI) é uma fonte de íons de espectrometria de massa ideal para a análise de biomoléculas. Em vez de compostos ionizantes no estado gasoso, as amostras são incorporadas em uma matriz, que é atingida por um laser. A matriz absorve a maior parte da energia; parte dessa energia é então transferida para a amostra, que ioniza como resultado. Os íons de amostra podem então ser identificados usando um analisador de tempo de voo (TOF).
Este vídeo abrange princípios do MALDI-TOF, incluindo a seleção de matrizes e como o TOF é usado para elucidar as relações massa-carga. Este procedimento mostra a preparação de uma placa MALDI, o carregamento de amostras na placa e o funcionamento do espectrômetro de massa TOF. Na seção final, são mostradas aplicações e variações, incluindo análise de células inteiras, caracterização de amostras biológicas complexas e ionização de spray de elétrons.
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A ionização de desorpção a laser assistida por matriz, ou MALDI, é uma fonte de íons de espectrometria de massa ideal para a análise de biomoléculas. A maioria das fontes de íons remove informações estruturais de grandes e frágeis biomoléculas. O MALDI mantém a integridade estrutural e, portanto, a informação, acelerando as moléculas no analisador de massa, que separa os compostos com base no tamanho e na carga. O mais comumente acoplado com MALDI é o tempo de voo, ou TOF, analisador em massa. Este vídeo mostrará os conceitos de ionização maldi, um procedimento geral e alguns de seus usos na bioquímica.
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Para que a espectrometria de massa funcione, as moléculas devem ser ionizadas para o estado gasoso. No MALDI, a amostra é incorporada em uma matriz, tipicamente um composto orgânico contendo ligações duplas aromáticas e conjugadas.
Quando um pulso de laser atinge essa mistura, a matriz absorve a maior parte da energia, aquece rapidamente, e é desordenada, ou liberada, da superfície. A matriz energizada transfere parte de sua energia para as biomoléculas, desordenando e, em seguida, ionizando-as.
Maldi é tipicamente emparelhado com um tempo de voo, ou TOF, analisador em massa. Um campo elétrico aplica energia cinética aos íons, movendo-os para uma região livre de campo chamada tubo de deriva. A velocidade dos íons enquanto se movem através do tubo está relacionada com sua relação massa-carga, de modo que partículas mais pesadas viajam mais lentamente através do instrumento. Um detector no final do tubo mede o tempo de voo de cada íon. Com esse conhecimento, bem como o comprimento do tubo e a força de campo aplicada, a relação massa-carga de cada íon pode ser elucidada.
Este gráfico de intensidade de sinal para a relação massa-carga, conhecido como espectro de massa, pode ser comparado a uma biblioteca de espectros coletados. Se não forem encontradas correspondências, podem ser identificadas moléculas por outras técnicas, como espectrometria de massa tandem. Para mais informações, consulte o vídeo desta coleção sobre o tema.
Agora que os fundamentos do MALDI-TOF foram discutidos, vamos olhar para o processo em laboratório.
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Antes de iniciar um experimento, é importante considerar a escolha da matriz de qual as amostras serão desordenadas. Ele deve absorver a energia laser, ser estável no vácuo, não reagir com as moléculas alvo, e ser capaz de desorb. Dependendo da amostra, são preferidas diferentes matrizes. Para uma proteína grande, uma combinação de CHCA e DHB tem mostrado melhor separação dos picos, chamada resolução, do que as matrizes individuais.
Há várias maneiras de preparar amostras. Vamos mostrar o que é conhecido como "dupla camada", ou "sanduíche", método. Para começar, limpe a placa MALDI com reagentes ultra-puros, pois a espectrometria de massa é muito sensível à contaminação. Seque a placa com um fluxo de gás inerte.
Em seguida, uma solução de matriz saturada é feita, tipicamente com um solvente orgânico. A solução é listrada na placa MALDI e seca. Uma segunda solução saturada de matriz contendo ácido trifluoroacético, ou TFA, é preparada. TFA ajuda íons na fase gasosa.
Em seguida, a solução amostral é adicionada em cima do ponto de matriz seca. Adicione a solução de matriz contendo TFA em cima da amostra, completando assim a matriz "sanduíche". A homogeneidade do local pode ser verificada sob um microscópio de baixa potência.
Emplaque um padrão de calibração, que é uma mistura com uma ampla gama de massas conhecidas e é usado para correlacionar o tempo de voo para m/z. Finalmente, emplaque a matriz sozinho como um controle negativo.
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Para analisar as manchas, coloque a placa alvo no instrumento. Certifique-se de que não há detritos presentes, permitindo a formação de um vácuo apertado. No software, selecione o padrão, controle negativo e amostras de interesse. Rotule as manchas com a identificação correta.
A fonte de íon e as tensões das lentes podem ser manipuladas para melhorar o desempenho da análise. Isso dependerá das especificidades do instrumento e da amostra. Concentre-se no ponto padrão e calibrar o instrumento com o software.
Em seguida, colete espectros de cada um dos pontos amostrais. Experimente alguns locais diferentes no local para maximizar a qualidade dos dados coletados. Uma vez concluída, a placa MALDI pode ser coletada e reutilizada após a limpeza.
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Agora que revisamos um procedimento, vamos ver algumas das maneiras como o MALDI é utilizado, e uma técnica de ionização diferente.
Além das biomoléculas, o MALDI pode ser usado para analisar células vivas. Macrófagos são células imunes que assumem uma das várias formas diferentes, com base em seu microambiente. Depois de expor as células a várias moléculas de sinalização, ou citocinas, elas podem ser adicionadas diretamente à placa, e analisadas. O espectro MALDI pode ser usado como "impressões digitais" únicas, dependendo da citocina usada.
Amostras biológicas complexas como secreções sebáceas de mamíferos requerem um passo de purificação antes da análise maldi. A cromatografia de camada fina é uma dessas técnicas que se baseia na polaridade dos componentes. Os compostos são coletados do patê TLC, purificados e transferidos para uma matriz MALDI. Os espectros resultantes verificam a identidade e pureza das biomoléculas separadas das secreções sebáceas dos mamíferos.
Outra fonte comum de íons para biomoléculas é a ionização eletrospray, ou ESI. Neste método, a amostra é injetada no instrumento, onde uma alta tensão é aplicada, criando um aerossol de gotículas carregadas. À medida que o solvente na gotícula evapora, a carga é movida para as moléculas da amostra, até que elas sejam completamente gasosas. O ESI não requer o procedimento de manchas, e a amostra pode ser injetada diretamente no instrumento. Por outro lado, o ESI é mais sensível à presença de componentes tampão e outros contaminantes, o que significa que o MALDI é mais robusto.
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Você acabou de assistir o vídeo de JoVE sobre espectrometria de massa MALDI. Este vídeo descreveu a teoria por trás do instrumento, passou por cima de um procedimento geral, e cobriu alguns dos usos da técnica. Obrigado por assistir!
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Espectrometria de massa MALDI-TOF

Matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI) is a mass spectrometry ion source ideal for the analysis of biomolecules. Instead of ionizing ...

A ionização por dessorção a laser assistida por matriz, ou MALDI, é uma fonte de íons de espectrometria de massa ideal para a análise de biomoléculas. A maioria das fontes de íons remove informações estruturais de biomoléculas grandes e frágeis. O MALDI mantém a integridade estrutural e, portanto, a informação, enquanto acelera as moléculas no analisador de massa, que separa os compostos com base no tamanho e na carga. O mais comumente acoplado ao MALDI é o analisador de massa de tempo de voo, ou TOF. Este vídeo mostrará os conceitos de ionização MALDI, um procedimento geral e alguns de seus usos em bioquímica. Para que a espectrometria de massa funcione, as moléculas devem ser ionizadas no estado gasoso. No MALDI, a amostra é incorporada em uma matriz, normalmente um composto orgânico contendo ligações duplas aromáticas e conjugadas. Quando um pulso de laser atinge essa mistura, a matriz absorve a maior parte da energia, aquece rapidamente e é dessorvida, ou liberada, da superfície. A matriz energizada transfere parte de sua energia para as biomoléculas, dessorvendo e ionizando-as. O MALDI é normalmente emparelhado com um analisador de massa de tempo de voo, ou TOF. Um campo elétrico aplica energia cinética aos íons, movendo-os para uma região livre de campo chamada tubo de deriva. A velocidade dos íons à medida que se movem pelo tubo está relacionada à sua relação massa-carga, de modo que partículas mais pesadas viajam mais lentamente pelo instrumento. Um detector no final do tubo mede o tempo de voo de cada íon. Com esse conhecimento, bem como o comprimento do tubo e a intensidade do campo aplicado, a relação massa-carga de cada íon pode ser elucidada. Esse gráfico de intensidade de sinal para relação massa-carga, conhecido como espectro de massa, pode ser comparado a uma biblioteca de espectros coletados. Se nenhuma correspondência for encontrada, as moléculas podem ser identificadas por outras técnicas, como espectrometria de massa em tandem. Para mais informações, veja o vídeo desta coleção sobre o tema. Agora que os fundamentos do MALDI-TOF foram discutidos, vamos dar uma olhada no processo no laboratório. Antes de iniciar um experimento, é importante considerar a escolha da matriz a partir da qual as amostras serão dessorvidas. Deve absorver a energia do laser, ser estável no vácuo, não reagir com as moléculas-alvo e ser capaz de dessorver. Dependendo da amostra, diferentes matrizes são preferidas. Para uma proteína grande, uma combinação de CHCA e DHB mostrou melhor separação dos picos, chamada resolução, do que as matrizes individuais. Existem várias maneiras de preparar amostras. Mostraremos o que é conhecido como método de "camada dupla" ou "sanduíche". Para começar, limpe a placa MALDI com reagentes ultrapuros, pois a espectrometria de massa é muito sensível à contaminação. Seque a placa com um jato de gás inerte. Em seguida, uma solução de matriz saturada é feita, normalmente com um solvente orgânico. A solução é riscada na placa MALDI e seca. Uma segunda solução saturada de matriz contendo ácido trifluoroacético, ou TFA, é preparada. O TFA ajuda os íons na fase gasosa. Em seguida, a solução de amostra é adicionada em cima do ponto de matriz seca. Adicione a solução de matriz contendo TFA no topo da amostra, completando assim o "sanduíche" da matriz. A homogeneidade da mancha pode ser verificada sob um microscópio de baixa potência. Placa um padrão de calibração, que é uma mistura com uma ampla gama de massas conhecidas e é usado para correlacionar o tempo de voo a m/z. Finalmente, coloque a matriz sozinha como um controle negativo. Para analisar as manchas, coloque a placa alvo no instrumento. Certifique-se de que não haja detritos presentes, permitindo a formação de um vácuo apertado. No software, selecione o padrão, o controle negativo e as amostras de interesse. Rotule os pontos com a identificação correta. A fonte de íons e as tensões da lente podem ser manipuladas para melhorar o desempenho da análise. Isso dependerá das especificidades do instrumento e da amostra. Concentre-se no ponto padrão e calibre o instrumento com o software. Em seguida, colete espectros de cada um dos pontos de amostra. Experimente alguns locais diferentes no local para maximizar a qualidade dos dados coletados. Uma vez terminada, a placa MALDI pode ser recolhida e reutilizada após a limpeza. Agora que revisamos um procedimento, vejamos algumas das maneiras pelas quais o MALDI é utilizado e uma técnica de ionização diferente. Além das biomoléculas, o MALDI pode ser usado para analisar células vivas. Os macrófagos são células imunes que assumem uma das várias formas diferentes, com base em seu microambiente. Depois de expor as células a várias moléculas de sinalização, ou citocinas, elas podem ser adicionadas diretamente à placa e analisadas. Os espectros MALDI podem ser usados como "impressões digitais" únicas, dependendo da citocina usada. Amostras biológicas complexas, como secreções sebáceas de mamíferos, requerem uma etapa de purificação antes da análise MALDI. A cromatografia em camada fina é uma dessas técnicas que depende da polaridade dos componentes. Os compostos são coletados do patê TLC, purificados e transferidos para uma matriz MALDI. Os espectros resultantes verificam a identidade e a pureza das biomoléculas separadas das secreções sebáceas de mamíferos. Outra fonte comum de íons para biomoléculas é a ionização por eletrospray, ou ESI. Neste método, a amostra é injetada no instrumento, onde é aplicada uma alta tensão, criando um aerossol de gotículas carregadas. À medida que o solvente na gotícula evapora, a carga é movida para as moléculas da amostra, até que fiquem completamente gasosas. O ESI não requer o procedimento de detecção e a amostra pode ser injetada diretamente no instrumento. Por outro lado, o ESI é mais sensível à presença de componentes tampão e outros contaminantes, o que significa que o MALDI é mais robusto. Você acabou de assistir ao vídeo da JoVE sobre espectrometria de massa MALDI. Este vídeo descreveu a teoria por trás do instrumento, passou por um procedimento geral e cobriu alguns dos usos da técnica. Obrigado por assistir!

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Bioquímica

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 energy. The matrix heats up, is desorbed from the surface, and transfers energy to the biomolecules so they ionize. MALDI is commonly paired with TOF, or time of flight, mass analysis.

The TOF analyzer uses an electric field to give ions kinetic energy and send them through a field-free drift tube. Ions move at different speeds based on their mass-to-charge ratio, so heavier ions travel more slowly. A detector measures each ion’s flight time. The instrument uses the tube length and field strength to calculate the mass-to-charge ratio and create a mass spectrum.

Before analysis, the matrix must be chosen carefully. It must absorb laser energy, stay stable in a vacuum, avoid reacting with the target molecules, and still desorb well. Different samples work better with different matrices. For a large protein, a combination of CHCA and DHB can give better peak resolution than either matrix alone.

Sample preparation can use the double-layer, or sandwich, method. First, the MALDI plate is cleaned with ultra-pure reagents and dried with inert gas, because mass spectrometry is sensitive to contamination. A saturated matrix solution is spotted and dried, then a second matrix solution containing trifluoroacetic acid, or TFA, is added with the sample in between. TFA helps ions enter the gaseous phase. The spot can be checked under a low-powered microscope.

A calibration standard is also plated. This standard contains a wide range of known masses and is used to match flight time to m/z. A matrix-only spot serves as a negative control. After the plate is loaded into the instrument, the software is used to label the spots, calibrate with the standard, and collect spectra from the samples. The ion source and lens voltages can be adjusted to improve performance, and several spots on each sample can be measured to improve data quality. The MALDI plate can be cleaned and reused after the run.

MALDI is also useful for whole-cell analysis and complex biological samples. Macrophages, which are immune cells, can be exposed to different cytokines and then analyzed directly on the plate. Their MALDI spectra can act as fingerprints for each cytokine condition. For mammalian sebaceous secretions, thin layer chromatography can first separate the components by polarity before the purified compounds are transferred to a MALDI matrix.

Another biomolecule ion source is electrospray ionization, or ESI. In ESI, the sample is injected directly into the instrument and a high voltage creates charged droplets. As the solvent evaporates, the charge moves to the sample molecules until they become gaseous. ESI does not need the spotting step, but it is more sensitive to buffer components and other contaminants, so MALDI is often the more robust choice.

How MALDI-TOF Reads Biomolecules

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

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)

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 MALDI-TOF mass spectrometry uses a laser, matrix, and time-of-flight analyzer to identify biomolecules, cells, and complex samples.

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Life Science

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

Matter and Energy in Organisms and Ecosystems

HS-LS1-6.

Overview

Principles of MALDI-TOF Mass Spectrometry

Plate, Matrix, and Sample Preparation

Running the Mass Spectrometer

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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problem-solving-tuning-of-a-guitar-string

Problem-Solving: Tuning of a Guitar String

In the case of stringed instruments like the guitar, the elastic property that determines the speed of the sound produced is its linear mass density or ...

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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 ...

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 ...

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 ...

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 ...

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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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 ...

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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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Perception of Sound Waves

The human ear is not equally sensitive to all frequencies in the audible range. It may perceive sound waves with the same pressure but different ...

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. ...

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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Use mathematical representations to support a claim regarding relationships among the period, frequency, wavelength, and speed of waves traveling and transferring energy (amplitude, frequency) in various media.

HS-PS4-1.

Using GIS to Investigate Urban Forestry

Source: Laboratories of Margaret Workman and Kimberly Frye - Depaul University
Urban forests broadly include urban parks, street trees, landscaped ...

Evaluate questions about the advantages of using a digital transmission and storage of information.

HS-PS4-2.

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 ...

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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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 ...

The Electromagnetic Spectrum

The electromagnetic spectrum consists of all the types of electromagnetic radiation arranged according to their frequency and wavelength. Each of the ...

The Quantum-Mechanical Model of an Atom

Shortly after de Broglie published his ideas that the electron in a hydrogen atom could be better thought of as being a circular standing wave instead of ...

Quantum Numbers

It is said that the energy of an electron in an atom is quantized; that is, it can be equal only to certain specific values and can jump from one energy ...

Interference and Diffraction

Source: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Interference and diffraction ...

Photoelectric Effect

Source: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics &#38;&#38; Astronomy, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Photoelectric effect ...

Reflection and Refraction

Source: Derek Wilson,&#160;Asantha Cooray, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, School of Physical Sciences, University of California, Irvine, CA
...

Evaluate the claims, evidence, and reasoning behind the idea that electromagnetic radiation can be described either by a wave model or a particle model (quantum theory), and that for some situations one model is more useful than the other.

HS-PS4-3.

Electric Charge in a Magnetic Field

Source: Andrew Duffy, PhD, Department of Physics, Boston University, Boston, MA
This experiment duplicates J.J. Thomson's famous experiment at the end of ...

Electromagnetic Fields

Electric fields generated by static charges, often referred to as electrostatic fields, are characteristically different from electric fields created by ...

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 ...

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

Plane Electromagnetic Waves I

The existence of combined electric and magnetic fields that propagate through space as electromagnetic (EM) waves is the most significant prediction of ...

Plane Electromagnetic Waves II

Consider a plane wavefront traveling in position x-direction with a constant speed. This wavefront can be utilized to obtain the relationship between ...

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 ...

Intensity Of Electromagnetic Waves

The energy transport per unit area per unit time, or the Poynting vector, gives the energy flux of an electromagnetic wave at any specific time. For a ...

Momentum And Radiation Pressure

An object absorbing an electromagnetic wave would experience a force in the direction of propagation of the wave. This force occurs because ...

Cardiac Magnetic Resonance Imaging

Source: Frederick W. Damen and Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana
In this video, high ...

an-introduction-to-drosophila-melanogaster

An Introduction to Drosophila melanogaster

Drosophila melanogaster, also known as the fruit fly, is a powerful model organism widely used in biological research that has made significant ...

an-introduction-to-the-zebrafish-danio-rerio

An Introduction to the Zebrafish: Danio rerio

Zebrafish (Danio rerio) are small freshwater fish that are used as model organisms for biomedical research. The many strengths of these fish include their ...

An Overview of Genetics and Disease

Many human diseases are associated with mutations or variations in genetic sequences. Some of these genetic variants are heritable, passed down from ...

Evaluate the validity and reliability of claims in published materials of the effects that different frequencies of electromagnetic radiation have when absorbed by matter.

HS-PS4-4.

How MALDI-TOF Reads Biomolecules

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