Đề tài Theo dõi quá trình động học phân tử thymine bằng lade xung cực ngắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM KHOA VẬT LÝ    LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC THEO DÕI QUÁ TRÌNH ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ THYMINE BẰNG LADE XUNG CỰC NGẮN GVHD: PGS.TSKH. LÊ VĂN HOÀNG SVTH: HOÀNG VĂN HƯNG NIÊN KHÓA: 2006 – 2010 Tp. Hồ Chí Minh – Năm 2010 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt nhất khóa học và luận văn này, tôi đã nhận được sự động viên giúp đỡ, khích lệ về mặt vật chất cũng như tinh thần từ thầy cô, gia đình, bạn bè và người thân. Thông qua luận văn này tôi xin gửi tới lời cảm ơn chân thành nhất đến tất cả mọi người. Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn PGS.TSKH. Lê Văn Hoàng đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi thực hiện luận văn này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Ngọc Ty đã tận tình hướng dẫn tôi trong việc làm quen và sử dụng các phần mềm mô phỏng cũng như động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Tôi xin cảm ơn gia đình đã tạo mọi điều kiện, động viên giúp tôi vững tâm học tập trong những năm học đại học cũng như trong thời gian tôi làm luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Vật lý-Trường ĐHSP. TP.HCM đã tận tình giảng dạy truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong những năm tháng trên giảng đường đại học để tôi có được hành trang vững chắc nhất trên con đường vào đời. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thành viên trong nhóm nghiên cứu cũng như bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong thời gian làm luận văn cũng như những năm tháng trên giảng đường đại học . Cuối cùng tôi xin gửi lời chúc sức khỏe đến thầy cô, gia đình và bạn bè. TP.Hồ Chí Minh, ngày 29-4-2010 Hoàng Văn Hưng MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................... 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ........... Error! Bookmark not defined. LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................ 6 Chương 1 Cơ sở lý thuyết về ADN .......................................................... 12 1.1 Thành phần và cấu trúc của ADN ..................................................... 12 1.1.1 Thành phần ................................................................................ 12 1.1.2 Cấu trúc ...................................................................................... 15 1.2 Chức năng sinh học của ADN ........................................................... 16 1.3 Quá trình tự nhân đôi ADN ............................................................... 16 1.4 Đột biến ............................................................................................ 17 1.4.1 Đột biến do tác nhân hóa học ..................................................... 17 1.4.2 Đột biến do lỗi sao chép ADN .................................................... 18 Chương 2 Tổng quan về lade và cơ chế phát xạ sóng hài ...................... 21 2.1 Lý thuyết về lade .............................................................................. 21 2.1.1 Sơ lược về lade ........................................................................... 21 2.1.2 Nguyên lý hoạt động của lade ..................................................... 22 2.1.3 Tính chất của lade ...................................................................... 23 2.1.4 Các chế độ hoạt động của lade .................................................... 23 2.1.5 Sự phát triển của lade xung siêu ngắn ......................................... 24 2.2 Tương tác giữa trường lade với nguyên tử, phân tử ........................... 25 2.2.1 Giới thiệu về quang học phi tuyến .............................................. 26 2.2.2 Tương tác giữa trường lade và nguyên tử ................................... 26 2.2.3 Tương tác của nguyên tử với một xung lade ............................... 29 2.2.4 Hệ số Keldysh ............................................................................ 30 2.2.5 Tốc độ ion hóa ............................................................................ 31 2.3 Sự phát xạ sóng hài bậc cao .............................................................. 32 2.3.1 Giới thiệu về sóng hài bậc cao .................................................... 32 2.3.2 Mô hình ba bước Leweistein ...................................................... 33 Chương 3 Mô hình tính toán và mô hình thí nghiệm ............................. 37 3.1 Giới thiệu về phần mềm Gaussian ..................................................... 37 3.1.1 Các chức năng tính toán ............................................................. 37 3.1.2 Phương pháp tính toán ................................................................ 38 3.1.3 Hệ hàm cơ sở ............................................................................. 39 3.1.4 Cấu trúc nguyên tử, phân tử ........................................................ 39 3.2 Giới thiệu về FORTRAN .................................................................. 40 3.3 Mô hình thí nghiệm mô phỏng .......................................................... 40 Chương 4 Kết quả .................................................................................... 41 4.1 Mô phỏng cấu trúc và HOMO của phân tử thymine .......................... 41 4.2 Phân biệt các trạng thái của phân tử thymine .................................... 43 4.3 Mô phỏng quá trình động học phân tử của phân tử thymine .............. 45 4.4 Theo dõi quá trình động học phân tử của phân tử thymine ................ 46 KẾT LUẬN ................................................................................................. 49 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................. 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 51 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ADN: Axit Deoxyribonucleic AS: Attosecond(10-18 DFT: Phương pháp phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory) s) FS: Femtosecond (10-15 HHG: Sóng hài bậc cao (High – order Harmonic Generation) s) HOMO: Orbital ngoài cùng của phân tử (Highest Occupied Moleculer Orbital) IRC: (Intrinsic Reaction Coordinate) LASER: lade (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) Opt: tối ưu hóa (Optimization) PES: Mặt thế năng (Potential Energy Surface) PS: Picosecond (10-12s) LỜI MỞ ĐẦU Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, hầu như không một sự phát triển nào của khoa học kỹ thuật lại không mang trong nó những thành tựu của nền khoa học cơ bản nói chung và Vật lý học nói riêng. Vật lý không chỉ đi sâu nghiên cứu tìm hiểu các quá trình, các quy luật vận động của sự vật diễn ra trong cuộc sống mà còn tiến sâu hơn vào thế giới của những phân tử, nguyên tử, những electron vô cùng nhỏ bé. Ở trong thế giới này những quy luật vận động, những định luật Vật lý ở thế giới vĩ mô dường như đã b ị vi phạm. Làm thế nào để đi sâu khám phá bản chất của thế giới vi mô luôn là đề tài nóng hổi và có tính thời sự. Để làm được điều đó, chúng ta cần có những công cụ, những thước đo và giá trị đo của nó tương ứng với những thang đo trong thế giới vi mô. Để tìm hiểu thông tin cấu trúc phân tử, nguyên tử quang phổ hồng ngoại, nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ điện tử hay tán xạ Raman là những phương pháp thường được sử dụng. Tuy nhiên khi sử dụng những phương pháp này có một hạn chế là chúng ta chỉ có thể biết được những thông tin về cấu trúc tĩnh c ủa phân tử, nguyên tử như khoảng cách, góc liên kết giữa các nguyên tử. Nguyên nhân của điều này chính là do độ phân giải của các phương pháp trên lớn hơn rất nhiều so với thời gian diễn ra quá trình vận động của các quá trình trên. Như chúng ta đã bi ết sự dao động của các nguyên tử diễn ra trong thời gian cỡ femto giây (1 fs = 10-15s), còn đi ện tử chuyển động quanh hạt nhân còn ở thang thời gian thấp hơn nữa: mức atto giây (1 as = 10-18s). Trong khi đó độ phân giải của các phương pháp trên chỉ vào cỡ pico giây (1 ps = 10-12 Năm 1960 lần đầu tiên con người đã “chinh phục được ánh sáng” bằng cách chế tạo ra nguồn lade đầu tiên (vài trăm micro giây) và kéo theo đó là cuộc chạy đua trong khoa học kỹ thuật để có thể có được những xung lade có xung ngày càng ngắn hơn. Năm 1961 chúng ta đã có xung 10 ns, năm 1966 là 100 ps. Cuộc chạy đua để rút ngắn xung lade ngày càng diễn ra quyết liệt hơn. Và đến năm 2001, xung 1 fs đã đư ợc chế tạo báo hiệu cho một sự phát triển trong ngành khoa học thang thời gian femto giây. Tưởng chừng như bức tường femto giây là một giới hạn khó vượt qua thì chỉ mất có 5 năm, bức tường femto giây đã bị xô đỗ. Năm 2006 nhóm các nhà khoa học thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Ý đã chế tạo thành công lade có độ dài xung 130 as, thậm chí số liệu gần đây nhất cho biết xung lade 80 as đã được chế tạo thành công tại phòng thí nghiệm Max-Planck và Lawrence Berkeley. Nhờ có những tiến bộ này, tìm hiểu cấu trúc động phân tử trở thành một đề tài được quan tâm trong cộng đồng khoa học. Năm 1994 nhóm các nhà khoa học Canada đã sử dụng lade có độ dài xung 30 fs cho tương tác với phân tử khí N s). Trong bối cảnh đó sự ra đời của các xung lade xung cực ngắn đã tạo điều kiện cho các nhà khoa học có thể đi sâu khám phá cấu trúc động của phân tử. 2. Từ nguồn dữ liệu HHG (High – order Harmonic Generation), hình ảnh HOMO (Highest Occupied Moleculer Orbital) của phân tử khí N2 đã được tái tạo. Đặc biệt lade sử dụng có độ dài xung 30 fs do đó thông tin thu được là thông tin động. Chính sự thành công này đã m ở ra hướng nghiên cứu mới trong cộng đồng khoa học. Hàng loạt công trình được công bố sử dụng nguồn HHG để chụp ảnh của phân tử, trích xuất thông tin khoảng cách liên hạt nhân, theo dõi quá trình động học phân tử đã được nghiên cứu [6], [7]. Cụ thể, trong các công trình [6], [7] các tác giả đã khẳng định được rằng có thể sử dụng nguồn dữ liệu HHG để theo dõi quá trình đ ồng phân hóa HCN/HNC và acetylen/vinyliden bằng cách cho lade có xung cực ngắn (10 fs) và cường độ mạnh (~1014W/cm2 ADN (Axit Deoxyribonucleic) là phân tử mang thông tin di truyền mã hóa cho hoạt động ) tương tác với các phân tử. Chính những công trình này đã định hướng cho chúng tôi thực hiện luận văn “Theo dõi quá trình động học phân tử thymine bằng lade siêu ngắn”. sinh trưởng và phát triển của tất cả các dạng sinh vật sống bao gồm cả một số virus. ADN gồm ba thành phần cơ bản: bazơ nitơ, đường pentose, nhóm phosphate và được coi là vật liệu di truyền ở cấp độ phân tử tham gia quyết định các tính trạng. 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]. Thông tin di truyền chứa trong ADN được giải mã dưới dạng trình tự sắp xếp của các bazơ nitơ . Bazơ nitơ trong phân tử ADN là các dẫn xuất của pyrimidine gồm cytosine (C) và thymine (T); hoặc của purine gồm adenine (A) và guanine (G). Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng mỗi bazơ nitơ thường tồn tại dưới hai dạng đồng phân hỗ biến (tautomer): bazơ nitơ purine có hai tautomer là amino (bền) và imino (kém bền), bazơ nitơ pyrimidine có hai tautomer là keto (bền) và enol (kém bền). Thông thường, các bazơ nitơ sẽ tồn tại trong phân tử ADN dưới dạng tautomer phổ biến (keto và amino). Tuy nhiên trong quá trình phát triển của sinh vật, đôi khi dưới một số điều kiện nào đó, các bazơ nitơ sẽ không tồn tại ở dạng tautomer phổ biến nữa mà chuyển sang dạng tautomer hiếm gặp hơn là enol và imino. Các dạng hiếm gặp này dù có thời gian tồn tại rất ngắn nhưng nếu trong thời gian đó, chúng được huy động vào quá trình tổng hợp ADN thì đột biến sẽ xảy ra, khi đó các cặp bazơ nitơ được hình thành là A và C (bằng hai liên kết hydro); G và T (bằng ba liên kết hydro). Sau hai lần sao chép thì cặp A và T thành G và C, cặp G và C thành cặp A và T, dẫn đến hậu quả là thông tin di truyền không được nguyên vẹn cho thế hệ sau. Cơ chế gây đột biến gen như vậy gọi là sự hỗ biến hóa học (tautomerism hay tautomer hóa) [1]. Do tính chất quan trọng của quá trình tautomer hóa đối với sự đột biến gen nên quá trình này đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhóm khoa học trên thế giới kể cả lý thuyết và thực nghiệm [15]. Các nhà nghiên cứu cũng nh ận thấy rằng thời gian của quá trình tautomer hóa là vào cỡ femto giây. Tuy nhiên, do những hạn chế về các phương pháp hiện tại đã nêu nên thông tin thu nhận được chỉ là những thông tin tĩnh. Mong mu ốn thu nhận được thông tin động ở cấp thời gian femto giây và can thiệp vào quá trình tautomer hóa của các bazơ nitơ đã trở thành mục tiêu của các nhà nghiên cứu trên thế giới. Và đây cũng chính là mục tiêu của luận văn của chúng tôi: làm thế để có thể theo dõi được quá trình tautomer hóa của các bazơ nitơ bằng nguồn dữ liệu HHG thu được khi cho các bazơ nitơ tương tác với lade xung cực ngắn, cường độ mạnh. Trong phạm vi của một luận văn tốt nghiệp chúng tôi chọn phân tử thymine có cấu trúc một mạch vòng là đối tượng nghiên cứu. Để thực hiện mục tiêu này chúng tôi cần phải mô phỏng được HHG phát ra khi cho lade có xung cực ngắn 5 fs cường độ mạnh 2.1014W/cm2 tương tác với phân tử. Khi cho lade này tương tác với phân tử, nguyên tử có rất nhiều hiệu ứng phi tuyến xảy ra tuy nhiên chúng tôi chỉ chú ý đến hiệu ứng phát xạ HHG. HHG được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1988 bởi nhóm các nhà khoa học người Pháp M. Ferray khi cho lade tương tác với khí trơ. Việc xây dựng một cơ sở lý thuyết hoàn chỉnh cho quá trình phát xạ HHG đã trở thành một đề tài nóng bỏng và có tính thời sự. Thực chất bài toán của chúng ta ở đây chính là giải phương trì nh Schrodinger phụ thuộc vào thời gian khi electron chịu tác dụng của trường lade. Bài toán này đã đư ợc giải chính xác cho phân tử đơn giản như H2, hay ion của nó H2+ Tuy nhiên để có được cấu trúc phân tử thymine phục vụ cho việc mô phỏng HHG thì chúng tôi phải mô phỏng được cấu trúc của phân tử thymine. Cấu trúc ở đây chính là các thông tin về khoảng cách nguyên tử, góc liên kết, thế ion hóa của phân tử, đặc biệt chính là của phân tử. Để làm được điều này, chúng tôi sử dụng phương pháp lý thuy ết phiếm hàm mật độ DFT (Density (phương pháp TDSE). Tuy nhiên không phải bao giờ chúng ta cũng có được nghiệm giải tích cho bài toán này. Do đó cần có những mô hình Vật lý để đơn giản đi quá trình tính toán và tất nhiên những mô hình này vẫn giữ được bản chất Vật lý của hiện tượng. Một trong những mô hình đư ợc cộng đồng khoa học chấp nhận rộng rãi đó là mô hình ba bước Lewenstein. Đây là mô hình bán c ổ điển, tinh thần chủ yếu của mô hình này chính là dựa trên sự chuyển động của electron dưới tác dụng của điện trường của trường lade. Theo mô hình này đi ện tử sẽ bị ion hóa xuyên hầm và ra vùng tự do. Sau đó điện tử sẽ được gia tốc dưới tác dụng của trường lade mạnh, khi trường lade đổi chiều điện tử quay trở lại kết hợp với ion mẹ và phát ra sóng thứ cấp chính là HHG. Sự phát xạ xảy ra khi ion tái va chạm với ion mẹ do đó HHG phát ra mang nhiều thông tin cấu trúc phân tử. Do nguồn dữ liệu HHG trên thực tế có rất ít do đó công việc chúng tôi cần làm là phải mô phỏng được HHG này. Phương pháp được sử dụng ở đây chính là mô hình ba bước Lewenstein cho quá trình phát xạ HHG và công cụ được sử dụng mô phỏng là ngôn ngữ lập trình FORTRAN. Chương trình tính toán đư ợc xây dựng đầu tiên bởi GS. Lin Chii-Dong (Đại Học Kansas, Mỹ) và sau đó được phát triển bởi nhóm các nhà khoa học tại Khoa Vật lý trường ĐHSP.TPHCM. Chương trình tính toán này đã được kiểm chứng qua các công trình đăng trên c ác tạp chí Vật lý quốc tế có uy tín. Ở đây, chúng tôi không tiến hành viết lại chương trình tính toán này mà chỉ tiếp thu các kỹ thuật tính toán được sử dụng và xem như đây là một công cụ cho chúng tôi thực hiện luận văn này. Functional Theory), có tính đến hiệu chỉnh Gradient B3LYP và hệ hàm cơ sở 6-31G+(d,p) thông qua việc sử dụng phần mềm Gaussian 03W. Bằng phương pháp này chúng tôi đã mô phỏng được ba trạng thái của phân tử thymine: enol, trạng thái chuyển tiếp và keto. Kết quả thu được hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm trong phạm vi sai số cho phép. Khi có được các thông tin này, tiến hành thí nghiệm cho lade tương tác với phân tử chúng tôi đã mô phỏng được HHG phát ra do sự tương tác này. Khảo sát sự phụ thuộc vào góc định phương của phân tử, chúng tôi nhận thấy không thể phân biệt được ba trạng thái cân bằng do hình dạng HOMO với ba trạng thái này là khá giống nhau. Tuy nhiên điều chúng tôi quan tâm ở đây chính là quá trình tautomer hóa của thymine. Để có được quá trình tautomer hóa này, sử dụng phương pháp động lực học với gần đúng Born – Oppenheimer, chúng tôi đã mô phỏng được quá trình tautomer hóa của thymine, khảo sát mặt thế năng cũng như đường phản ứng hóa học của thymine. Khi đã mô phỏng được đường phản ứng hóa học này chúng tôi đã tiến hành cho lade tương tác với phân tử thymine trong cả quá trình quá trình tautomer hóa này. Từ dữ liệu HHG thu được chúng tôi đã khẳng định được rằng có thể theo dõi quá trình tautomer hóa này. Bố cục của luận văn được chia làm 4 chương chính không kể phần mở đầu và phần kết luận. Trong chương 1: “Cơ sở lý thuyết về ADN” chúng tôi sẽ trình bày một cách ngắn gọn về cấu trúc, đặc điểm, cơ chế đột biến trong phân tử ADN, trong đó sẽ giới thiệu về quá trình tautomer hóa là quá trình một tautomer của bazơ nitơ này bị biến đổi thành dạng tautomer khác hiếm gặp hơn, từ đó dẫn đến kết quả bắt cặp sai, và hậu quả là gây đột biến gen. Nắm được những thông tin khái quát về ADN, hay cụ thể đó là sự đột biến do quá trình hỗ biến hóa học của các bazơ nitơ trong ADN sẽ giúp cho chúng ta thấy được tầm quan trọng và cần thiết trong việc nắm bắt thông tin cấu trúc động của phân tử ở cấp thời gian femto giây, để từ đó có thể chủ động can thiệp vào quá trình gây nên đột biến gen trong cơ thể sinh vật. Trong chương 2 “Tổng quan về lade và cơ chế phát xạ sóng hài” chúng tôi sẽ tập trung trình bày về công cụ chính được sử dụng để khảo sát và thu nhận thông tin cấu trúc động của phân tử. Đó chính là cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao HHG [12]. Trong phần đầu của chương này, chúng tôi sẽ dành vài trang để giới thiệu những nét cơ bản nhất về lade. Hiện nay, có thể nói lade là một thuật ngữ rất quen thuộc đối với nhiều người, nó đã thâm nh ập vào rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống, do đó chúng tôi sẽ không đề cập nhiều đến những ứng dụng của nó mà thay vào đó sẽ đề cập đến một hướng phát triển mới – lade xung cực ngắn. Quá trình rút ngắn chiều dài xung lade sẽ được chúng tôi đề cập theo tiến trình thời gian. Kể từ khi thiết bị lade đầu tiên được chế tạo, công nghệ lade ngày càng có những tiến triển mang tính chất đột phá. Cường độ lade được tăng lên nhiều lần, song song đó độ dài xung lade được giảm đáng kể. Trong năm 1990, Zewail et al [13] đã tạo ra xung lade vào cỡ femto giây, đánh dấu sự ra đời của một lĩnh vực mới gọi là hóa học thang thời gian femto giây (Femtochemistry). Những nỗ lực rút ngắn độ dài của xung lade vẫn tiếp diễn. Trong những năm gần đây, cuộc chạy đua rút ngắn độ dài của xung lade đã có những đích đến mới, đột phá và ấn tượng bằng công trình của các nhóm nghiên cứu trên thế giới khi tạo ra được xung lade ở cấp độ atto giây, mở ra một ngành khoa học thang thời gian atto giây (“Attosecond Science”). Khoa học thang thời gian atto giây đã mở ra những hướng đi mới đầy tiềm năng cho nhiều ngành khoa học khác nhau, không chỉ là hóa học hay vật lý học. Đó chính là một tia sáng hứa hẹn những thay đổi của con người trong sự hiểu biết về thế giới vật chất. Chính sự phát triển của các lade xung cực ngắn đã thực sự tạo điều kiện cho các nhà nghiên cứu tìm hiểu sâu hơn về sự tương tác giữa nguyên tử, phân tử với các lade xung cực ngắn có cường độ mạnh. Trong đó, có hiện tượng phát xạ HHG là công cụ chính