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 đ iều 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 dạ ng 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 -18 s) FS: Femtosecond (10 -15 s) PS: Picosecond (10 -12 s) 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 Ψ g và một bó sóng phẳng tái va chạm Ψ c 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 2 I 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 ư u 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 ả nh 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 θ H 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 [...]... 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. .. dạng imino-amino của cytosine Trước hết, tôi đề cập đến cấu trúc phân tử của ADN và quá trình tautome của các base Bản chất của quá trình tautome chính là sự dịch chuyển của nguyên tử hydro từ vị trí cân bằng này sang vị trí cân bằng khác Đây là một trong các nguyên nhân dẫn đến đột biến trong quá trình sao chép và tái bản ADN Tiếp theo, tôi tiến hành mô phỏng quá trình tautome của cytosine khi phân... 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. .. 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. .. lượng của phân tử tương ứng với các cấu trúc hình học khác nhau trong suốt quá trình tautome Từ đó, tôi thu được mặt phẳng thế năng và đường phản ứng hóa học của phân tử cũng như năng lượng kích hoạt để xảy ra quá trình chuyển hóa đồng phân này Nội dung chính của chương 3 là khảo sát quá trình tương tác giữa phân tử cytosine với laser xung cực ngắn bằng phương pháp mô phỏng thông qua chương trình Lewmol... động quay của phân tử trong trường laser định phương thì có thể bỏ qua các chuyển động khác, khi đó phân tử sẽ giống như một vật rắn Do đó có thể dùng một chùm laser yếu để điều khiển quá trình quay của phân tử, sau đó sẽ chiếu chùm laser mạnh vào để xảy ra quá trình tương tác cần nghiên cứu uu u r r Gọi E ', E lần lượt là vectơ phân cực của chùm laser yếu dùng để định phương và của chùm laser mạnh,... 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 BornOppenheimer Phép gần đúng này tách rời chuyển động của hạt nhân với chuyển động của điện tử, nhằm đơn giản hóa việc giải phương trình Schrodinger cho hệ phân tử mà ta đang xét Trong chương 2, tôi trình bày quá trình tautome dạng imino-amino. .. 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 5 và quá trình phát xạ HHG Tiếp đến,... trên hai giả thuyết gần đúng của Keldysh [29] đưa ra khi tính toán các quá trình ion hóa trường mạnh: + Trong vùng phổ năng lượng liên tục, electron được xem như một hạt tự do chuyển động dưới tác dụng của trường điện laser, bỏ qua ảnh hưởng của thế Coulomb + Trong quá trình tương tác với laser, phần đóng góp của các trạng thái liên kết khác ngoài trạng thái cơ bản vào quá trình phát sóng hài là không... trường laser siêu ngắn cường độ mạnh, một phần hàm sóng của electron ở trạng thái cơ bản ψ g xuyên hầm sang vùng phổ liên tục trong một phần của chu kỳ quang học của laser và được coi như electron tự do đúng theo giả thiết thứ nhất + Sau khi được giải phóng tự do, electron chuyển động dưới tác dụng của trường laser, tuân theo các quy luật của cơ học Newton và được gia tốc nhờ thế trọng động của trường . 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 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. 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