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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ HIỀN THEO DÕI QUÁ TRÌNH TAUTOME DẠNG IMINO-AMINO CỦA CYTOSINE BẰNG XUNG LASER SIÊU NGẮN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ HIỀN THEO DÕI QUÁ TRÌNH TAUTOME DẠNG IMINO-AMINO CỦA CYTOSINE BẰNG XUNG LASER SIÊU NGẮN Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số: 60 44 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TSKH LÊ VĂN HOÀNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2011 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt khóa học và luận văn này, tôi đã nhận được sự động viên, giúp đỡ từ thầy cô, gia đình và bạn bè. Thông qua luận văn, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả mọi người. Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến Thầy hướng dẫn Lê Văn Hoàng. Thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin cảm ơn tất cả các thầy, cô trong bộ môn Vật lý lý thuyết, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giảng dạy, truyền thụ những kiến thức khoa học trong thời gian tôi tham gia học tập tại nhà trường. Tôi xin cảm ơn các thành viên trong nhóm nghiên cứu ở Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tôi để luận văn hoàn thành trong thời gian nhanh nhất. Xin trân trọng cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2011 Học viên cao học Nguyễn Thị Hiền MỤC LỤC 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 i DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADN: Axit Deoxyribonucleic AS: Attosecond (10-18s) FS: Femtosecond (10-15s) PS: Picosecond (10-12s) DFT: Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory) HHG: Sóng hài bậc cao (High – order Harmonic Generation) HOMO: Orbital ngoài cùng của phân tử (Highest Occupied Moleculer Orbital) IRC: (Intrinsic Reaction Coordinate) LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Opt: Tối ưu hóa (Optimization) PES: Mặt thế năng (Potential Energy Surface) ii 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 iii 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 14 2I 5 10 W cm= × , bước sóng 800nmλ = ............................................................................................................. 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 iv 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 v 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 1 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 ( 1510− 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 2 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). 3 Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm [1], [6], [15], [32] đều chỉ ra rằng mỗi base thường tồn tại dưới hai dạng đồng phân hỗ biến (tautomer): với A và C thì dạng phổ biến là amino và dạng hiếm gặp là imino; còn đối với G và T dạng phổ biến là keto, dạng hiếm gặp là enol. Tuy nhiên trong quá trình phát triển của sinh vật, đôi khi dưới một số điều kiện nào đó, các base sẽ không tồn tại ở dạng tautomer phổ biến nữa mà chuyển sang dạng tautomer hiếm gặp hơn là enol và imino. Quá trình này được gọi là sự hỗ biến hóa học (tautome) [1]. Các dạng hiếm gặp 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, dẫn đến hậu quả là thông tin di truyền không được nguyên vẹn cho thế hệ sau. Tuy nhiên cho đến nay, các tính toán cũng chỉ dừng lại ở việc xác định các thông tin tĩnh về cấu trúc của các base [36], [42]. Xác định được tầm quan trọng của việc nghiên cứu quá trình tautome, đồng thời mong muốn được tiếp cận hướng phát triển mới đầy tiềm năng, tôi đã tìm hiểu về cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao và sử dụng chính cơ chế này để thu nhận thông tin động và theo dõi quá trình tautome của cytosine, một trong bốn base của ADN. Đó chính là lý do tôi chọn đề tài: “Theo dõi quá trình tautome dạng imino- amino của cytosine bằng xung laser siêu ngắn”. Để thực hiện được mục tiêu đó, tôi xác định các nội dung nghiên cứu như sau: - Trước tiên, tôi tìm hiểu các kiến thức tổng quan của đề tài, bao gồm: + Cơ sở lý thuyết về phân tử ADN, các base và quá trình tautome của các base, đặc biệt là của cytosine; + Lý thuyết về laser và cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao khi cho laser xung siêu ngắn tương tác với phân tử; + Phương pháp mô phỏng động lực học phân tử với gần đúng Born- Openheimer; phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT. Đồng thời, vì luận văn được thực hiện chủ yếu bằng phương pháp mô phỏng nên tôi làm quen và học hỏi cách sử dụng các phần mềm tính toán như Gaussian 4 03W, Gaussview, Origin 8.0 và đặc biệt là ngôn ngữ lập trình Fortran 7.0; Các phần mềm này được dùng trong việc mô phỏng các trạng thái khác nhau của phân tử cần nghiên cứu, mô phỏng HHG và vẽ đồ thị minh họa cho kết quả tính toán. - Tiếp theo, tôi mô phỏng động lực học phân tử của quá trình tautome của cytosine bằng phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) với phép gần đúng Born- Oppenheimer, tích hợp trong phần mềm Gaussian [16]. Dựa vào các vị trí cực tiểu năng lượng của phân tử ứng với cấu hình hình học nhất định chúng tôi xác định các trạng thái cân bằng tautomer và chuyển tiếp cũng như năng lượng tối thiểu kích hoạt để xảy ra quá trình chuyển hóa đồng phân này. Mặt thế năng (PES) cũng được vẽ ra để minh họa các trạng thái tautomer và chuyển tiếp. - Sau đó, tôi tiến hành tính toán tính toán sóng hài bậc cao (HHG) phát xạ khi laser hồng ngoại (bước sóng 800nm), độ dài xung cực ngắn (5fs) và cường độ mạnh (2.1014W/cm2) tương tác với phân tử cytosine dạng khí. + Do nguồn dữ liệu HHG trong thực tế còn hạn chế nên tôi thực hiện mô phỏng HHG thông qua chương trình Lewmol 2.0 được viết bằng ngôn ngữ Fortran 7.0 dựa trên mô hình ba bước Leweinstein. Chương trình tính toán Lewmol được xây dựng đầu tiên bởi nhóm nghiên cứu vật lý nguyên tử phân tử và quang học tại Đại học quốc gia Kanas, Mỹ [25], [46], và sau đó được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của Khoa Vật lý trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của PGS. TSKH Lê Văn Hoàng [2]. Chương trình tính toán này đã được kiểm chứng qua các công trình đăng trên các tạp chí Vật lý quốc tế có uy tín [33], [34]. Ở đây, tôi tiếp thu kỹ thuật mô phỏng này và sử dụng như một công cụ hữu hiệu để thực hiện luận văn. + Trong chương trình Lewmol, laser tương tác chủ yếu với electron lớp ngoài cùng (tức HOMO) của phân tử. Do đó, thay vì thiết lập quá trình tương tác giữa laser với phân tử, ta chỉ thiết lập những tính toán đối với HOMO của chúng. Để có được HOMO tương đối chính xác phục vụ cho việc mô phỏng HHG, tôi dùng hệ hàm cơ sở 6-31G+(d,p) trong chương trình Gaussian. 5 + Ngoài ra, các phân tử cytosine cần được định phương để dữ liệu HHG thu được có tính đồng bộ cao. Kỹ thuật định phương phân tử bằng chùm laser yếu đã được nhiều nhà khoa học sử dụng nhằm giải quyết bài toán giữ cho các phân tử hướng theo một phương nhất định khi chúng tương tác với laser [7], [8]. Ở đây, tôi không đi sâu nghiên cứu cơ chế định phương phân tử cytosine mà giả định như nó được định phương theo mong muốn. Thiết bị thu dữ liệu HHG được đặt theo cùng phương truyền của laser vào để đo các HHG có cùng phân cực hoặc vuông góc với vectơ phân cực của chùm laser vào. - Tiếp theo, tiến hành phân tích phổ HHG phát ra từ các trạng thái đồng phân và chuyển tiếp của cytosine theo các góc định phương khác nhau từ 0 đến 1800 theo phương song song và vuông góc với vectơ phân cực của laser, tôi hy vọng có thể phân biệt được các trạng thái này. - Sau cùng, tôi khảo sát HHG đối với các cấu trúc hình học khác nhau của phân tử cytosine trên đường chuyển hóa đồng phân (thu nhận từ mô phỏng động lực học phân tử) bằng cách cho laser tương tác liên tục với phân tử trong suốt quá trình tautome. Từ đó, tôi đưa ra khả năng theo dõi quá trình tautome của cytosine bằng laser xung cực ngắn. Trên cơ sở đó, bố cục luận văn được chia thành ba chương: Chương 1: Cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán. Chương 2: Chuyển động hạt nhân hydro và quá trình tautome dạng imino – amino. Chương 3: Phát xạ sóng hài bậc cao của cytosine và dấu vết quá trình tautome. Trong chương 1, tôi đưa ra cơ sở lý thuyết của sự phát xạ sóng hài (HHG). Vì nguồn HHG phát xạ là công cụ chính để khảo sát và thu nhận thông tin cấu trúc động của phân tử nên việc tìm hiểu cơ chế phát xạ HHG là cần thiết. Phần đầu của chương này trình bày về laser; lý thuyết tương tác của laser với nguyên tử, phân tử 6 và quá trình phát xạ HHG. Tiếp đến, tôi đề cập đến mô hình ba bước của nhà khoa học Lewenstein. Trong phần cuối của chương, tôi giới thiệu về phần mềm Gaussian và trình bày phương pháp mô phỏng động lực học phân tử với phép gần đúng Born- Oppenheimer. Phép gần đúng này tách rời chuyển động của hạt nhân với chuyển động của điện tử, nhằm đơn giản hóa việc giải phươn