Luận văn thạc sĩ vật lý 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 - 2015 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 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 - 2015 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt khóa học luận văn này, nhận động viên, giúp đỡ từ thầy cô, gia đình bạn bè. Thông qua luận văn, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất người. Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến Thầy hướng dẫn Lê Văn Hoàng. Thầy tận tình hướng dẫn, bảo tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình thực luận văn. Tôi xin cảm ơn tất thầy, cô môn Vật lý lý thuyết, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh nhiệt tình giảng dạy, truyền thụ kiến thức khoa học thời gian tham gia học tập nhà trường. Tôi xin cảm ơn thành viên nhóm nghiên cứu Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh giúp đỡ để luận văn hoàn thành thời gian nhanh nhất. Xin trân trọng cảm ơn! Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2015 Học viên cao học Nguyễn Thị Hiền MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Mục lục Danh mục chữ viết tắt . i Danh mục bảng số liệu ii Danh mục hình vẽ, đồ thị iii Mở đầu . Chương 1: Cơ sở lý thuyết phương pháp tính toán. . 1.1 Phát xạ sóng hài bậc cao (HHG) . 1.2 Mô hình Leweinstein chương trình LEWMOL 2.0 để tính HHG 17 1.3 GAUSSIAN mô động lực học phân tử với gần BornOpenheimer . 22 Chương 2: Chuyển động hạt nhân hydro trình tautome dạng imino – amino. . 29 2.1 Cấu trúc phân tử acid deoxyribonucleic (ADN) . 29 2.2 Quá trình tautome base ADN . 33 2.3 Động lực học phân tử trình tautome dạng imino-amino cytosine 37 Chương 3: Phát xạ sóng hài bậc cao cytosine dấu vết trình tautome. 45 3.1 Phát xạ sóng hài cytosine tương tác với laser xung siêu ngắn . 45 3.2 Sự phụ thuộc sóng hài bậc cao vào góc định phương . 51 3.3 Các cực đại cường độ sóng hài khả theo dõi trình tautome 54 Kết luận . 60 Hướng phát triển Tài liệu tham khảo 61 . 62 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ADN: Axit Deoxyribonucleic AS: Attosecond (10 -18 s) FS: Femtosecond (10 -15s) 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 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 (Potential Energy Surface) i DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU Chương . ii Bảng 2.1. Chiều dài liên kết góc liên kết phân tử cytosine 43 Bảng 2.2. Các thông số cấu trúc trạng thái cytosine 49 Chương Bảng 3.1. Tọa độ nguyên tử phân tử cytosine trạng thái imino . 48 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Chương Hình 1.1. Các 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 HHG) . 17 Hình 1.5 . Mô hình ba bước bán cổ điển Lewenstein 18 Hình 1.6 . Minh họa hình thành lưỡng cực chồng chất hàm sóng trạng thái Ψg bó sóng phẳng tái va chạm Ψc 19 Hình 1.7. Sự phân bố lượng electron va chạm lần đầu với ion trường hợp Heli với cường độ ánh sáng I = 5×1014 W cm2 , bước sóng ii λ=800nm . 20 Chương Hình 2.1. Cấu trúc nucleotide 30 Hình 2.2. Cấu trúc deoxyribose . 30 Hình 2.3. Cấu trúc base ADN 30 Hình 2.4. Liên kết nucleotide chuỗi polynucleotide ADN 31 Hình 2.5. Cấu trúc đối song ADN liên kết theo nguyên tắc bổ sung 32 Hình 2.6. Cấu trúc không gian ADN dạng B theo Watson Crick . 33 Hình 2.7. Các dạng hỗ biến base ADN 34 Hình 2.8. Lỗi chép ADN biến đổi từ dạng tautomer bền sang dạng tautomer bền: (a) Sự bắt cặp đúng; (b) Sự bắt cặp sai . 35 Hình 2.9. Cấu trúc phân tử cytosine tối ưu hóa với phương pháp DFT hệ hàm sở 6-31G+(d,p) . 35 Hình 2.10. PES trường hợp đơn giản - phân tử hai nguyên tử . 38 Hình 2.11. PES vùng đặc trưng . 39 Hình 2.12. Quá trình tautome cytosine chuyển từ trạng thái imino sang trạng 40 thái amino . Hình 2.13. Góc cấu trúc khoảng cách sử dụng để xét trình tautome phân tử cytosine . 41 Hình 2.14. Mặt phẳng phân tử cytosine với trạng thái cân bền trạng thái chuyển tiếp . 41 Hình 2.15 . Đường phản ứng hóa học đặc trưng 43 Hình 2.16. Đường phản ứng hóa học trình tautome cytosine 44 iii Chương Hình 3.1. Mô hình thí nghiệm 46 Hình 3.2. Hình ảnh HOMO phân tử cytosine ba trạng thái đặc trưng: imino, chuyển tiếp amino 49 Hình 3.3. Cường độ HHG phân tử cytosine theo tần số dao động phát 50 Hình 3.4. Sự phụ thuộc cường độ HHG theo góc định phương: (A) HHG song song (B) HHG vuông góc. . 52 Hình 3.5. Sự phụ thuộc HHG vào góc định phương ứng với tần số 25, 27, 29 31 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 phân tử cytosine . 55 Hình 3.7. Cường độ HHG song song phụ thuộc vào góc định phương góc cấu trúc trình tautome cytosine ứng với bậc 19, 25, 27, 29 31 57 Hình 3.8. Cường độ HHG vuông góc phụ thuộc vào góc định phương góc cấu trúc trình tautome cytosine ứng với bậc 19, 25, 27, 29 31. . 58 iv v 3. PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT QUÁ TRÌNH TAUTOME • Cơ chế phát xạ HHG Mô hình ba bước Lewenstein: U(x,t) Trường laser x Ip electron 1. Ion hóa xuyên hầm 2. Electron gia tốc trường laser 3. Electron tái kết hợp với ion mẹ phát photon Lewenstein M., et al. (1994), Phys. Rev. A 49, 2117. 28 3. PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT QUÁ TRÌNH TAUTOME • Mô hình thí nghiệm tương tác laser với cytosine 29 30 3. PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT QUÁ TRÌNH TAUTOME 3. PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT QUÁ TRÌNH TAUTOME • Mô electron lớp (HOMO) phân tử cytosine Imino Trạng thái chuyển tiếp Amino Sử dụng phần mềm Gaussview, Gaussian 03W kết hợp với đoạn mã get_wf_xie-modify.f chương trình Lewmol 2.0 để thu nhận thông tin HOMO phân tử. 32 3. PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT QUÁ TRÌNH TAUTOME • Cường độ HHG cytosine theo tần số dao động phát ra. Trạng thái HHG song song HHG vuông góc Imino Chuyển tiếp Amino 33 3. PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT QUÁ TRÌNH TAUTOME • Sự phát xạ sóng hài cytosine theo góc định phương Imino Trạng thái chuyển tiếp Amino 34 3. PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT QUÁ TRÌNH TAUTOME • Sự phát xạ sóng hài cytosine theo góc định phương với tần số cụ thể: 25, 27, 29, 31. Imino Trạng thái chuyển tiếp Amino 35 2. QUÁ TRÌNH TAUTOME TRONG PHÂN TỬ CYTOSINE Quá trình tautome dạng imino-amino phân tử cytosine Imino Trạng thái chuyển tiếp 36 Amino 3. PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT QUÁ TRÌNH TAUTOME • Góc cấu trúc xác định vị trí nguyên tử Hydro H10 trình tautome cytosine. 37 θH 3. PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT QUÁ TRÌNH TAUTOME Sự phát xạ sóng hài theo góc định phương góc cấu trúc suốt trình tautome phân tử cytosine 38 • Theo phương HHG song song với vectơ phân cực laser vào: 3. PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT QUÁ TRÌNH TAUTOME Sự phát xạ sóng hài theo góc định phương góc cấu trúc suốt 39 trình tautome phân tử cytosine • Theo phương HHG vuông góc với vectơ phân cực laser vào: 4. KẾT LUẬN 40 • Mô cấu trúc tối ưu hóa phân tử cytosine ba trạng thái đặc trưng imino, amino chuyển tiếp phần mềm Gaussian 03 W. Phù hợp với số liệu thực nghiệm công trình mô khác • Mô trình đồng phân hóa cytosine chuyển từ trạng thái imino sang trạng thái amino Thu giá trị lượng phân tử trạng thái khác suốt trình tautome minh họa cụ thể qua PES IRC . Tính toán lượng kích hoạt cho trình tautome 1.79 eV lượng tương quan hai trạng thái cân 0.08 eV. • Tính toán thông tin cấu trúc phân tử, đặc biệt HOMO cytosine ba trạng thái đặc trưng để phục vụ cho việc mô HHG. 41 4. KẾT LUẬN • Mô trình phát xạ HHG cho laser tương tác với ba trạng thái đặc trưng thông qua chương trình Lewmol 2.0. Dựa vào phụ thuộc HHG vào góc định phương phân biệt trạng thái này. • Khảo sát HHG phát suốt trình đồng phân hóa, phân tích đỉnh cường độ phát xạ sóng hài tương ứng với vị trí đồng phân. Qua phân biệt đồng phân từ phổ sóng hài bậc cao phát xạ. 42 Kết khả theo dõi trình tautome laser xung cực ngắn, cường độ mạnh qua chế phát xạ HHG. XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN ! 43 [...]... 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. .. 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. .. tautome 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 5 biến trong quá trình sao chép và tái bản ADN Tiếp theo, tôi tiến hành mô phỏng quá trình tautome của cytosine khi... 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. .. thái cân bằng tautomer và trạng thái chuyển tiếp của phân tử; và khả năng tìm kiếm dấu vết động lực học phân tử của quá trình tautome dạng imino – amino của cytosine Trong phần kết luận, tôi tóm tắt lại các kết quả thu được của luận văn Vì bài toán tương tác giữa laser với phân tử là một bài toán lớn, việc thu nhận thông tin cấu trúc phân tử trong các quá trình có sự phát xạ sóng hài bậc cao là vấn đề... imino sang trạng thái amino Sau đó, tôi khảo sát năng 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. .. 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 và quá trình phát xạ HHG Tiếp đến, tôi... adenine (A) và guanine (G), cytosine (C) và thymine (T) 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... phát triển của luận văn để tiếp tục nghiên cứu Phần danh mục tài liệu tham khảo liệt kê 46 tài liệu tham khảo, bao gồm 2 tài liệu tiếng Việt và 44 tài liệu tiếng Anh, mà tôi đã tìm hiểu và nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận văn 6 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN Trong chương này, tôi trình bày lý thuyết của sự phát xạ sóng hài bậc cao (HHG) trên cơ sở về laser và quá trình tương... chuyển 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 uur ur Gọi E',E lần lượt là vectơ phân cực của chùm laser yếu dùng để định phương và của chùm laser mạnh, . 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 . 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 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