Thạc Sĩ Theo dõi quá trình Tautome dạng Imino-Amino của Cytosine bằng xung Laser siêu ngắn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
NĂM - 2011

MỤC LỤC ( Luận văn dài 75 trang)
Trang
Trang phụ bìa
Mục lục
Danh mục các chữ viết tắt . i
Danh mục các bảng số liệu ii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị iii
Mở đầu . 1


Chương 1: Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán. . 1
1.1 Phát xạ sóng hài bậc cao (HHG) . 8
1.2 Mô hình Leweinstein và chương trình LEWMOL 2.0 để tính HHG 17
1.3 GAUSSIAN và mô phỏng động lực học phân tử với gần đúng Born-Openheimer 22
Chương 2: Chuyển động hạt nhân hydro và quá trình tautome dạng imino –amino. 29
2.1 Cấu trúc phân tử của acid deoxyribonucleic (ADN) . 29
2.2 Quá trình tautome trong các base trong ADN . 33
2.3 Động lực học phân tử của quá trình tautome dạng imino-amino trong cytosine 37


Chương 3: Phát xạ sóng hài bậc cao của cytosine và dấu vết quá trình tautome. . . 45
3.1 Phát xạ sóng hài của cytosine khi tương tác với laser xung siêu ngắn . 45
3.2 Sự phụ thuộc của sóng hài bậc cao vào góc định phương . 51
3.3 Các cực đại của cường độ sóng hài và khả năng theo dõi quá trình tautome 54


Kết luận . 60
Hướng phát triển 61
Tài liệu tham khảo . 62

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU
Chương 2
Bảng 2.1. Chiều dài liên kết và góc liên kết của phân tử cytosine 36
Bảng 2.2. Các thông số cấu trúc của các trạng thái của cytosine 42
Chương 3
Bảng 3.1. Tọa độ của các nguyên tử trong phân tử cytosine ở trạng thái imino . 48

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Chương 1
Hình 1.1. Các cơ chế ion hóa . 13
Hình 1.2. Hiện tượng phát xạ sóng hài bậc cao . 14
Hình 1.3. Các vùng phổ ánh sáng 14
Hình 1.4. Dạng đồ thị cường độ sóng hài phụ thuộc tần số (bậc của HHG) . 17
Hình 1.5 . Mô hình ba bước bán cổ điển Lewenstein 18
Hình 1.6 . Minh họa sự hình thành một lưỡng cực bởi sự chồng chất của hàm
sóng ở trạng thái cơ bản Ψg và một bó sóng phẳng tái va chạm Ψc 19
Hình 1.7. Sự phân bố năng lượng của các electron khi va chạm lần đầu với ion
trong trường hợp Heli và với cường độ ánh sáng I = 5×1014W cm2 , bước sóng λ = 800nm . 20
Chương 2
Hình 2.1. Cấu trúc của nucleotide 30
Hình 2.2. Cấu trúc của deoxyribose . 30
Hình 2.3. Cấu trúc các base trong ADN 30
Hình 2.4. Liên kết giữa các nucleotide trong chuỗi polynucleotide của ADN 31
Hình 2.5. Cấu trúc đối song của ADN liên kết theo nguyên tắc bổ sung 32
Hình 2.6. Cấu trúc không gian của ADN dạng B theo Watson và Crick . 33
Hình 2.7. Các dạng hỗ biến của các base trong ADN 34
Hình 2.8. Lỗi sao chép ADN do sự biến đổi từ dạng tautomer bền sang dạng
tautomer kém bền: (a) Sự bắt cặp đúng; (b) Sự bắt cặp sai . 35
Hình 2.9. Cấu trúc phân tử cytosine được tối ưu hóa với phương pháp DFT và hệ hàm cơ sở 6-31G+(d,p) 35
Hình 2.10. PES trong trường hợp đơn giản - phân tử hai nguyên tử . 38
Hình 2.11. PES và các vùng đặc trưng . 39
Hình 2.12. Quá trình tautome của cytosine chuyển từ trạng thái imino sang trạng thái amino 40
Hình 2.13. Góc cấu trúc và khoảng cách được sử dụng để xét quá trình tautome của phân tử cytosine 41
Hình 2.14. Mặt phẳng thế năng của phân tử cytosine với các trạng thái cân
bằng bền và trạng thái chuyển tiếp . 41
Hình 2.15 . Đường phản ứng hóa học đặc trưng 43
Hình 2.16. Đường phản ứng hóa học của quá trình tautome đối với cytosine 44


Chương 3
Hình 3.1. Mô hình thí nghiệm 46
Hình 3.2. Hình ảnh HOMO của phân tử cytosine ở ba trạng thái đặc trưng: imino, chuyển tiếp và amino . 49
Hình 3.3. Cường độ HHG của phân tử cytosine theo các tần số dao động phát ra 50
Hình 3.4. Sự phụ thuộc của cường độ HHG theo góc định phương:
(A) HHG song song
(B) HHG vuông góc. . 52
Hình 3.5. Sự phụ thuộc của HHG vào các góc định phương ứng với các tần số 25, 27, 29 và 31 trong các trường hợp:
(A) HHG song song,
(B) HHG vuông góc. . 53
Hình 3.6. Góc cấu trúc θH xác định vị trí nguyên tử hydro H10 của phân tử cytosine . 55
Hình 3.7. Cường độ HHG song song phụ thuộc vào góc định phương và góc cấu trúc trong quá trình tautome của cytosine ứng với bậc 19, 25, 27, 29 và 31 57
Hình 3.8. Cường độ HHG vuông góc phụ thuộc vào góc định phương và góc cấu trúc trong quá trình tautome của cytosine ứng với bậc 19, 25, 27, 29 và 31. . 58

LỜI MỞ ĐẦU
Khoa học kỹ thuật phát triển, các nhà nghiên cứu ngày càng có nhu cầu hiểu biết sâu hơn về cấu trúc của các phân tử. Việc thu nhận thông tin cấu trúc phân tử có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp như: phân tích quang phổ [12], nhiễu xạ điện tử [10], nhiễu xạ tia X [9]. Tuy nhiên, độ phân giải của các phương pháp này thường cỡ pico giây (1ps = 10-12 s) trở lên. Trong khi đó, sự dao động của các nguyên tử diễn ra trong thang thời gian femto giây (1fs = 10-15 s) và điện tử chuyển động quanh hạt nhân ở mức atto giây (1as = 10-18 s). Như vậy, độ phân giải thời gian của các phương pháp kể trên lớn hơn rất nhiều lần so với khỏang thời gian diễn ra sự vận động trong phân tử. Do đó, khi sử dụng các phương pháp này ta chỉ thu được những thông tin về cấu trúc tĩnh của phân tử như khoảng cách và góc liên kết giữa các nguyên tử, mà chưa thể thu nhận các thông tin cấu trúc động của phân tử. Thông tin động của phân tử chính là các thông tin gắn liền với các chuyển động ở cấp độ nguyên tử, phân tử, chẳng hạn như sự lệch khỏi vị trí cân bằng của các nguyên tử trong phân tử, hay sự thay đổi cấu trúc như bẻ gãy các liên kết và hình thành các cấu trúc mới. Do đó, biết được các thông tin cấu trúc động của các phân tử ở khoảng thời gian femto giây (10ư15 s) luôn là mong muốn của các nhà khoa học [19], [26], [27].


Laser xung cực ngắn ra đời đã tạo điều kiện cho các nhà nghiên cứu có thể đi sâu khám phá cấu trúc động của phân tử, trong đó có thể kể đến kỹ thuật chụp ảnh phân tử. Khi chùm laser cường độ mạnh tương tác với nguyên tử, phân tử, một trong các hiệu ứng phi tuyến xảy ra là sự phát xạ sóng hài bậc cao (High-order harmonic generation – HHG). Cường độ HHG (thang logarit) theo tần số có đặc điểm là thay đổi rất ít trong một miền giá trị tần số ta gọi là miền phẳng (plateau), và miền này sẽ kết thúc ở một điểm dừng (cut-off) [29], sau điểm đó cường độ HHG giảm mạnh về không. Nhằm giải thích cơ chế hình thành và các đặc tính của HHG, một trong những mô hình được công nhận và sử dụng rộng rãi là mô hình ba bước Lewenstein [29]. Đây là mô hình bán cổ điển, giải thích sự phát xạ HHG dựa trên sự chuyển động của điện tử trong nguyên tử, phân tử dưới tác dụng điện trường của laser. Cụ thể, ban đầu điện tử sẽ bị ion hóa theo cơ chế xuyên hầm ra miền tự do; dưới tác dụng của trường laser mạnh, điện tử được gia tốc trong nửa chu kỳ đầu của trường laser; khi trường laser đổi chiều, điện tử quay trở lại tương tác với ion mẹ và phát ra sóng hài thứ cấp, đây chính là HHG. Vì HHG là kết quả của sự va chạm giữa ion mẹ và điện tử nên HHG phát ra lúc này sẽ mang thông tin cấu trúc của phân tử mẹ. Đây là nền tảng cho việc thu nhận thông tin cấu trúc phân tử từ nguồn dữ liệu HHG, được nhiều nhà khoa học quan tâm sử dụng [2], [27], [28],[34].


Đáng chú ý là công trình [19] của nhóm nghiên cứu Canada vào năm 2004. Trong công trình này, các tác giả đã sử dụng nguồn dữ liệu sóng hài bậc cao (HHG) phát ra do tương tác giữa phân tử N2 với nguồn laser cực mạnh và tái tạo thành công hình ảnh orbital lớp ngoài cùng (HOMO) của phân tử này. Đặc biệt, nguồn laser sử dụng ở đây có độ dài xung 30 fs, do đó hình ảnh HOMO thu được có thể coi là
thông tin động của phân tử. Tiếp đến là các công trình [33], [35], các tác giả đã khẳng định được rằng có thể sử dụng nguồn dữ liệu HHG để theo dõi quá trình đồng phân hóa HCN/HNC và quá trình đồng phân hóa acetylen/vinyliden bằng cách cho laser có xung cực ngắn (10 fs) và cường độ cực mạnh (~1014W/cm2) tương tác với các phân tử. Phát triển kết quả này cho các phân tử phức tạp hơn sẽ có ý nghĩa
khoa học và thực tiễn. Phân tử acid deoxyribonucleic (ADN) được biết đến là phân tử mang thông tin di truyền mã hóa cho hoạt động sinh trưởng và phát triển của các dạng sinh vật sống. ADN được tạo thành bởi hai chuỗi xoắn kép liên kết với nhau bởi liên kết hydro, mỗi sợi đơn là một chuỗi polynucleotide gồm nhiều các nucleotide nối với nhau bằng liên kết phosphodieste [1]. ADN gồm 3 thành phần cơ bản: bazơ nitơ (base), đường pentose, nhóm phosphate. Thông tin di truyền chứa trong ADN được giải mã dưới dạng trình tự sắp xếp của các base. Base trong phân tử ADN gồm adenine (A) và guanine (G), cytosine (C) và thymine (T).