Điều khiển độ căng của phân tử ADN trong dung môi phi tuyến bằng kìm quang học (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH THÁI ĐÌNH TRUNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ CĂNG CỦA PHÂN TỬ ADN TRONG DUNG MÔI PHI TUYẾN BẰNG KÌM QUANG HỌC Chuyên ngành: Quang học Mã số: 62.44.01.09 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÍ VINH, 2017 Công trình hoàn thành Khoa Vật lý Công nghệ Trường Đại học Vinh Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Hồ Quang Quý TS Đoàn Hoài Sơn Phản biện 1: ……………………………………………… Phản biện ………………………………………… Phản biện 3: ……………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường, họp Trường Đại học Vinh Vào hồi ngày tháng năm 2017 Có thể tìm hiểu Luận án tại: Thư viện Quốc gia Việt Nam Trung tâm thông tin thư viện Nguyễn Thúc Hào Trường Đại học Vinh MỞ ĐẦU Kìm quang học Ashkin đồng nghiệp công bố cách ba thập kỷ công trình “Khảo sát quang lực gradient ngang tác dụng lên hạt điện môi bẫy quang học chùm tia” [8] Kìm quang học hoạt động dựa vào gradient lớn trường điện từ tạo vùng gần thắt chùm tia laser hội tụ mạnh tạo lực đủ lớn để bẫy hạt điện môi Để hiểu chất tác dụng quang lực lên hạt có kích thước lớn hớn nhiều so với nguyên tử ta sử dụng định luật học Newton kết hợp với lý thuyết điện từ cổ điển Biểu thức tính quang lực trường hợp kích thước hạt lớn hay nhỏ nhiều so với bước sóng ánh sáng laser xem xét khảo sát gần Mie Rayleigh [8], [9], [10] Sau nghiên cứu kỹ thuật kìm quang học thành công, chuyên gia sinh học nhanh chóng sử dụng kìm quang học công cụ cho thao tác vi mô khảo sát chuyển động phân tử chất đạm (protein) [12] kéo căng đơn phân tử ADN [13] Nghiên cứu tương tác protein với ADN [14] trình đóng gói ADN tạo thành nhiễm sắc thể liên quan mật thiết đến đặc tính học ADN gấp, cuộn, xoắn kéo căng [15], [16] Rất nhiều nghiên cứu khác tiếp tục sử dụng kìm quang học để nghiên cứu đặc trưng phân tử ADN như: động học [30], [31], vai trò tính chất xoắn căng đơn phân tử ADN [32], xác định độ căng, giãn xoắn phân tử ADN tác động kìm quang học [33], kìm quang học sử dụng can thiệp vào trình phiên mã tổng hợp ADN [34] Như việc kéo căng phân tử ADN có vai trò quan trọng nghiên cứu sinh học phân tử kìm quang học trở thành công cụ thiếu với thao tác vi mô Như vậy, việc khảo sát theo dõi vị trí hạt điện môi thang đo nanô mét hoàn toàn khó khăn độ xác khó đạt đến Trên sở tồn cạnh tranh lực quang học lực đàn hồi thay đổi vị trí thắt chùm Gauss môi trường phi tuyến Kerr [40], [41] độ căng phân tử ADN khống chế cường độ chùm laser thay phương pháp quang-cơ nói Những vấn đề khoa học nghiên cứu theo ý tưởng trả lời khả nâng cao độ xác phép đo độ căng phân từ ADN trình bày luận án với tiêu đề : “Điều khiển độ căng phân tử ADN dung môi phi tuyến kìm quang học” CHƯƠNG I KÌM QUANG HỌC CHO PHÂN TỬ ADN ADN (Acid Deoxyribonucleic) phân tử di truyền cao nhất, mang tất thông tin nhiễm sắc thể Trong trạng thái bình thường chuỗi ADN bị uốn cong lại thành vòng tròn hay thành bó [42] Với trạng thái tồn này, trình nghiên cứu ADN khảo sát trình tương tác chúng với protein hay tế bào khác kính hiển vi khó khăn Nhờ kìm quang học mà chuỗi ADN kéo giãn trạng thái mong muốn Tại trạng thái đó, nghiên cứu ADN tương tác chúng với protein khác thực kính hiển vi 1.1 Cấu trúc ADN ADN loại axit hữu có chứa nguyên tố chủ yếu Cacbon (C), Hiđrô (H), Oxy (O), Nitơ (N) Phốtpho (P) Bốn loại nuclêôtit mang tên gọi bazơ nitric Adenine (A), Cytosine (C), Guanine (G) Thymine (T), A G có kích thước lớn, T C có kích thước bé Hình 1.1 Cấu trúc [43] ADN chuỗi xoắn kép gồm xoắn kép ADN mạch pôlinuclêôtit xoắn quanh trục theo chiều từ trái sang phải Một cặp bazơ nitric đứng đối diện liên kết với liên kết hiđrô theo nguyên tắc bổ sung 1.2 Một số loại ADN quan tâm 1.3 Các đặc trưng học đàn hồi chuỗi ADN 1.3.1 Biến dạng kéo nén đàn hồi Sự biến dạng chiều dài thay đổi nhiệt độ:  L 2  kBTL0  S kBT krod (1.3) 1.3.2 Biến dạng uốn đàn hồi mỏng Sự biến đổi  viết:  2   kBTL0  B L0 Lp (1.7) 3.3 Mô hình chuỗi liên tục (WLC) Trường hợp lực đàn hồi nhỏ Biểu thức lực đàn hồi cho bởi: F 3kBT x 2Lp L0 (1.9) Trường hợp lực đàn hồi lớn Trường hợp lực khoảng (110 pN): F kBT Lp 4(1  x / L0 )2 (1.10) Công thức nội suy cho mô hình WLC F kBT Lp   x 1     L  1  x / L0    (1.11) Mô hình WLC mở rộng Đối với trường hợp lực lớn (1050 pN) F kBT Lp    1 x F       L0 S   1  x / L0  F / S   (1.12) 1.4 Hiệu chỉnh biểu thức lực đàn hồi Chuỗi ADN mô hình hóa dạng chuỗi sâu hình 1.8 Hình 1.8 Mô hìnhWLC phân tử ADN Lực đàn hồi cho biểu thức (1.11) (1.12) biểu thức sau [25], [52], [54], [55]: F (x )Lb 1 x F (x )  x F (x )  1       kT  L0 S  L0 S (1.13) Hàm lực đàn hồi (1.19) thỏa mãn chất phân tử ADN mô tả theo mô hình WLC trên, cụ thể:       i ) F (x )  x  Lb   F (x )   x  Lb  ii )       iii ) kBT 1  L b  L   x  L     Lb  L L2b    (1.20) F (x )Lb x  Lb x  Lb F (x ) 1 F (x )   1       kBT  L S  L S (1.21) 1.5 Kìm quang học cho phân tử ADN Phân tử ADN nhúng vào chất lưu Một đầu gắn cố định với bề mặt thủy tinh phân tử ARN enzyme, đầu lại gắn vào hạt điện môi Hạt giữ quang lực của bẫy quang học, đồng thời vị trí Hình 1.13.Mô hình kìm quang theo dõi học cho phân tử ADN laser diode LED Để khảo sát chuyển động hạt xuất phát từ: M   dv f dt (1.22) Phương trình mô tả chuyển động hạt điện môi chất lưu gọi phương Langevin: M        dv  .v  2D  h(t )  k r  M g  Fel  Foptic dt      dv M  .v  2D  h(t )  Fel  Foptic dt (1.27) (1.28) Phương trình (1.28) phương trình tổng quát cho hạt điện môi có liên kết với phân tử ADN kìm quang học 1.6 Kết luận chương Trong chương này, trình bày tổng quan cấu trúc đặc trưng học, tính chất đàn hồi đại phân tử ADN Xuất phát từ phương trình Langevin, khảo sát trình động học vi hạt gắn với phân tử ADN, từ xác định điều kiện ổn định độ căng phân tử ADN phục vụ cho nghiên cứu sinh, y học Với mục đích khảo sát trình động học vi cầu gắn với phân tử ADN kìm quang học, phương trình Langevin tổng quát với tham gia quang lực lực đàn hồi Thông qua khảo sát động học vi hạt, điều kiện ổn định độ căng phân tử ADN nghiên cứu, từ đề xuất phương pháp điều khiển trạng thái cách thay đổi công suất laser Những vấn đề làm rõ chương CHƯƠNG II QUÁ TRÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA VI HẠT LIÊN KẾT VỚI PHÂN TỬ ADN TRONG KÌM QUANG HỌC 2.1 Quang lực 2.1.1 Định nghĩa quang lực Năm 1970, công trình A Ashkin định nghĩa “Quang lực áp lực tác động lên vật xạ vùng quang học” [8], [9] + Quang lực tán xạ :   2Np  Nck   F     P t c  t  c (2.3) + Quang lực gradient   pgard,z  ptg  N*   p i 1 i     pgrad  pgrad,   pgrad, z N*   k i 1 i   i ki (2.6) Hình 2.1 Mô tả trình photon truyền xung lượng cho vi hạt phản xạ mặt 2.1.2 Quang lực chế độ Rayleigh      dx Fi  q Ei  i  B    dt Lực gradient ngang (2.7)      2n f a Fgrad,  (r )    I (r )   c  m       I (r ) ,  m    (2.14) Lực tán xạ :   n 8k 4a  m      Fscat (r )  I (r )zˆ  b  I (r )zˆ ,  m   3c (2.15)    Fgrad,z Fscat Hình 2.4 Các lực tác động lên vi hạt điện môi nằm chùm laser phân bố dạng Gaussian [10] z  Fgrad, 2.2 Phân bố quang lực chùm laser phân bố Gaussian 2.2.1 Phân bố quang lực gradient ngang gây chùm laser Phân bố cường độ tiết diện ngang mô tả theo hàm số Gaussian[66]:  2  I ()  I exp    W   Quang lực ngang Fgrd,  ()   (2.16)  2  exp    W  W I (2.17) Hình 2.5 a) Phân bố cường độ vết chùm tia (x( 0 ),y( 0 )) b) Phân bố quang lực gradient ngang vết chùm tia 2.2.2 Phân bố quang lực dọc gây chùm laser Quang lực gradient dọc:   2I z Fgrad, z (z )  z 3/2 z0   z 2         z     0    (2.20) a) b) Hình 2.7 a) Phân bố quang lực dọc trục chùm tia; b) Phân bố quang lực dọc cách trục khoảng  =2W0 [70] 2.3 Kìm quang học chùm tia cho phân tử ADN 2.3.1 Mô hình nguyên lý Trục chùm tia laser Cường độ chùm laser Hình 2.8.Cấu hình kìm quang học cho phân tử ADN 2.3.2 Phương trình Langevin tổng quát Với lực ta có phương Langevin cho vi hạt điện môi: M (t )  (t )  Fgr ,  ((t ))  Fel ((t ))  2kBT /  h(t ) (2.21) 2.3.3 Lời giải số phương trình Langevin * Phương pháp vi phân hữu hạn Trong phương trình (2.21) số hạng bên trái bỏ qua, viết lại sau [73]:   (t )  Fgr ,  ((t ))  Fel ((t ))  2kBT  h(t ) Hay i  i 1  Fgr ,  ((t ))  Fel ((t ))  t  2k BT /  h (t )t (2.27) (2.28) Phương trình (2.28) giải theo phương pháp vi phân hữu hạn Giả sử, thời điểm ban đầu t0  0, hạt điện môi có tọa độ (0)  0 , ta tính quang lực phân tử ADN   Fel  F (0 )   Fgrad ,   F (0, 0 ) lực đàn hồi theo (2.22) (2.23) Sau sử dụng (2.28) tìm vị trí hạt bẫy sau khoảng thời gian t 1  (0  t ) , tiếp tục thay 1 vào công thức (2.22) (2.23) ta tính quang lực   Fgrad  F ((t1 ), t1 ) lực đàn hồi   Fel  F (1 ) Quá trình tiếp tục thời điểm t mong muốn * Phương pháp Runge-Kutta M (t )   (t )  Fgr ,  ((t ))  Fel ((t ))  2kBT  h(t ) Với số hạng tương ứng cho (2.22), (2.23) (2.24) nhận phương trình sau: d 2 d 1 h  0 exp(2 2 )      D0 Wx d d2 4(1   )2 (2.30) 2.3.4 Động học vi hạt điện môi có liên kết với phân tử ADN kìm quang học 2.3.4.1 Đặc trưng vị trí – thời gian bẫy Với trợ giúp chương trình phần mềm Matlab, trình mô thực với tham số sau: hạt điện môi có bán kính a  0.05m , chiết suất nb  1.57 khối lượng riêng 1.35g / cm [53] Phân từ ADN có chiều dài bền Lb  89nm chiều dài cực đại L  16.24m [52] Môi trường Hình 2.10 Đặc trưng vị trí-thời gian chất lưu có hệ số nhớt vi cầu   0.001Ns / m chiết suất n f  1.326 , nhiệt độ phòng T =300K [39] Kìm quang học sử dụng laser liên tục   1.064m công suất P  25.5mW Chùm laser hội tụ kính vật có độ số cao tạo thành chùm Gauss có Hình 2.15 a, b, c Dao động ộng hạt xung quanh vị trí cân bằng, với I   107W / m ; 0  10m Như trình bày phần trên, bán kính thắtt chùm c chùm laser có ảnh hưởng đến trình kéo hạt vào vị trí cân bằng, b xem xét ảnh hưởng bán kính thắtt chùm đến đ vị trí cân hạt Kết thể hình ình 2.15a, 2,15b, 2,15c với tham số chọn I   10 W / m 2; 0  10m bán kính thắt chùm W0 tằng dần tương ứng 7m; 10 m; 15 m Từ kết thấy tăng dần bán kính thắtt chùm thời th gian hạt bị kéo đến vị trí cân tăng lên (hạtt di chuyển chuy chậm hơn), vị trí cân khác thay đổii bán kính thắt th chùm, cụ thể bán kính thắt chùm tăng vị trí ổn định nh xa tâm kìm, độ giãn phân tử ADN giảm xuống Như y tăng bán kính thắt chùm phạm vi tác dụng kìm đượcc tăng lên, kéo căng phân tử nằm xa tâm kìm, vị trí cân ng lại l dịch xa tâm kìm thời gian hạt di chuyển vào tâm kìm chậm m 2.5 Kết luận chương Trong chương viết đượcc phương Langevin tổng quát mô tả động lực học hạt điện n môi kìm quang học, h với tham gia quang lực lực đàn hồi Viếtt đư biểu thức tường minh cho ngoại lực tác động lên hạt điện n môi gắn với phân tử ADN kìm quang học Giải phương Langevin tổng quát ng phương pháp số, s từ kết cho biện luận trình động đ học hạt liên kết với phân tử ADN kìm quang học: 12 * Hạt dao động quanh vị trí cân bằng, lúc lực đàn hồi phân tử ADN cân với quang lực gradient ngang Trong thực nghiệm ta đo vị trí đầu dò vị trí, tìm mối quan hệ lực đàn hồi phân tử ADN với độ biến dạng * Từ kết thu xác định thời gian ổn định vị trí ổn định hạt kìm quang học * Khảo sát cụ thể ảnh hưởng tham số quang như: bán kính thắt chùm, cường độ đỉnh lên tính ổn định hạt kìm quang học Phân tích nguyên nhân vật lý gây nên ảnh hưởng lựa chọn tham số quang thích hợp để điều khiển độ căng phân tử ADN kìm quang học Thông qua khảo sát động học vi hạt, điều kiện ổn định độ căng phân tử ADN nghiên cứu, từ đề xuất phương pháp điều khiển trạng thái cách thay đổi công suất laser CHƯƠNG III ĐIỀU KHIỂN ĐỘ CĂNG CỦA PHÂN TỬ ADN BẰNG KÌM QUANG HỌC KERR Trong chương nghiên cứu kìm quang học để điều khiển hạt điện môi chất lưu phi tuyến, để điều khiển độ căng phân tử ADN phương pháp toàn quang 3.1 Kìm quang học Kerr cho phân tử ADN 3.1.1 Mô hình Hình 3.1 Sơ đồ kìm quang học cho điều khiển 3D cách điều chỉnh công suất laser 13 Trong mô hình kìm quang học sử dụng để giam giữ hạt điện môi tuyến tính nhúng chất lưu phi tuyến Kerr Khi đó, việc làm thay đổi chiết suất chất lưu, hiệu ứng Kerr gây tượng phân bố lại cường độ laser thông qua hiệu ứng tự hội tụ Khi phân bố quang lực không gian phụ thuộc tham số quang mà phụ thuộc vào độ dày môi trường, tiết diện đầu vào chất lưu chùm tia laser 3.1.2 Nguyên lý hoạt động Phân tử ADN gắn với hạt điện môi Cả hai nhúng chất lưu Kerr Khối chất lưu Kerr với vi hạt phân tử ADN đặt mặt thắt chùm laser yếu Chùm laser yếu sử dụng nguồn bẫy vi hạt, kéo hạt theo trục hướng tâm Mặt thắt chùm tia laser điều khiển thấu kính có độ số NA cao Động học vi hạt, hay độ căng phân tử ADN khảo sát nhờ hệ quang chiếu sáng gồm nguồn LED, đầu dò vị trí, tích hợp quang Với cấu hình trên, vị trí vi hạt điều khiển nguồn laser yếu theo trục hướng tâm laser mạnh theo trục chùm tia Sau dẫn biểu thức quang lực tác dụng lên vi hạt môi trường chất lưu Kerr 3.2 Quang lực tác động lên hạt điện môi 3.2.1 Sơ đồ mô hình tính toán Hình 3.2 Mô hình tính toán cho điều khiển 3D hạt liên kết với phân tử ADN 3.2.2 Tái phân bố cường độ laser Kìm quang học Kerr sử dụng chùm laser Gaussian có bước sóng  chiếu tới vật kính có độ số NA lớn, chùm laser TEM00 hội tụ, có cường độ mô tả hàm Gauss sau: 14 I , z   I W02 W (z )  22  exp   ,  W (z ) Công suất đạt giới hạn [78]: (3.1) Pcr  1.8962 2 4n f nnl (3.3) Như sơ đồ quang hình 3.2, giả sử bán kính chùm tia mặt cắt lối vào môi trường Kerr Win  W (d ) , từ phương trình 3.1 3.2, có: n fnl (, z )  n f  nnl I  2  exp    Win  W W02 (3.4) in Chiết suất môi trường chất lưu có dạng : n fnl (, z )  n f  nnl I 2 W02  1  2   N  N 2 ,  2  W  W  in (3.6) in Biểu thức (3.6) có dạng môi trường chiết suất liên tục GRIN Khối trụ chất lưu môi trường Kerr trở thành thấu kính phi tuyến mỏng có tiêu cự tính [65], [82], [83]:   z    1      z    Win4   fnl    2.N 2z 4nnl I 0z 4nnl I W02z (3.8) Như vậy, chùm tia có cường độ phân bố Gauss tiết diện ngang truyền qua môi trường Kerr làm thay đổi chiết suất môi trường, môi trường có độ dày nhỏ, cường độ chùm tia vượt qua giá trị ngưỡng biến môi trường mỏng thành thấu kính phi tuyến, thấu kính hội tụ chùm tia ban đầu lần Hình 3.3 Tham sô chùm laser Gaussian phân bố lại chùm không gian chất lưu phi tuyến [41], [82] 15 Cường độ chùm tia sau truyền qua thấu kính phi tuyến này, chùm Gaussian vào tái tạo lại hình 3.3 sau sử dụng phương trình 3.8, biểu thức cường độ có dạng sau [82] : I 1(, z )  z          I0  2  exp  ,  2  W    0,1  (z1  z ) z  ( z   z )     1      z 0,1 z 0,1      (3.9) Cường độ chùm tái tạo sau truyền thấu kính thứ i là: I i (, z )  z          I0  2  exp   2  W    0,1  (z i  z )  z  (z i  z )     1      z 0,i z 0,i      (3.11) 3.2.3 Phân bố quang lực  Fgrad ,   ˆ 4nl ,i (, z )I 2   z  (z  z )      i W0,i2 1      z 0,i           2   exp   2  W  z  (z  z )   0,i     i 1     z 0,i     Quang lực dọc gồm tổng lực tán xạ lực gradien dọc cho bởi:    Ftotal ,z (, z )  Fgrad, z (, z )  Fscat (, z )  2nl ,i (, z )zI    z  (z  z )    i   W0,i2 1      z 0,i            2  z  z i  z  exp   2  z 0,i  z  (z  z )   W0,i  i   1     z 0,i          nl ,i (, z )I  2   zˆ exp   2  W  z  (z  z )   z  (z  z )   0,i   i i     1  1      z 0,i z 0,i        zˆ 16 (3.16) 3.3 Điều khiển vị trí cân hạt điện môi 3.3.1 Mô hình cho trình điều khiển Hình 3.4 a) Độ căng tạm thời theo trục hướng tâm b) Độ căng theo mong muốn Trong mô hình phân tử ADN đầu gắn cố định, đầu lại gắn với hạt điện môi nằm môi trường chất lưu, toàn hệ thống đặt vết chùm tia laser hội tụ thấu kính có độ số cao Hạt điện môi chọn cho hệ số chiết suất phi tuyến nhỏ, chất lưu chọn cho hệ số chiết suất phi tuyến lớn Khi đó, chiếu tới vật kính chùm laser có cường độ lớn đáp ứng phi tuyến hạt điện môi nhỏ, coi chiết suất không đổi, chất lưu hệ số chiết suất phi tuyến lớn, đáp ứng phi tuyến đáng kể nên chiết suất chất lưu thay đổi theo cường độ sáng Tùy vào công suất nguồn laser chiếu tới mà hạt điều khiển không gian ba chiều Với nguồn laser công suất yếu hạt kéo đến ví trí cân xác định, phân tử ADN chưa đạt đến độ căng mong muốn ta dùng nguồn laser mạnh để kéo hạt dọc theo trục chùm tia Quá trình điều khiển làm rõ mục 3.3.2 Điều khiển hướng tâm Khảo sát phân tử ADN có đặc trưng đàn hồi tuân theo mô hình chuỗi WLC đầu gắn cố định đầu lại gắn với hạt điện môi đặt vết chùm tia kìm quang học Vị trí hạt mặt phẳng mẫu (theo phương bán kính) điều khiển cách hiệu chỉnh công suất laser yếu 17 Động lực học hạt điện môi dọc theo phương hướng tâm tuân theo phương trình Langevin tổng quát Sử dụng phương pháp vi phân hữu hạn [5], [73] ta thu được:  i 1  i   Fel (i 1 )  Fgr ,  (i 1 ) t   2kBT  i  i 1   WW   W3W4 t  1 F ( )  Fgr ,  (i 1 )  2k BT    el i 1  WW    W3W4  t  (3.17) Sử dụng phương trình (3.15); (3.17) (3.18) khảo sát phụ thuộc vị trí cân theo công suất chùm laser phương pháp số Với tham số: hạt bẫy có chiết suất nb  1.57 bán kính a  0.05m liên kết với phân tử ADN có chiều dài bền 0.089m chiều dài giới hạn L  16.24m [13] Hệ thống nhúng chất lưu phi tuyến với chiết suất tuyến tính n f  1.45 số chiết suất phi tuyến nnl  1.0  1010 cm / W [85] Chiếu chùm laser Gauss có công suất xác định hội tụ vật kính với bán kính thắt chùm W0  10m Đối với chất lưu Kerr đưa ra, có công suất giới hạn cho tượng tự hội tụ Pc  1.17kW [86] Vì vậy, công suất đỉnh laser yếu thay đổi khoảng P  (7.65  214.2)mW cường độ đỉnh chùm tia nằm khoảng I  (0.01  1.5).105 W / cm cho điều khiển theo phương bán kính Việc điều khiển theo phương hướng tâm hạt bẫy có vị trí ban đầu nằm bên trái so với tâm kìm, có tọa độ 0  16m , nghiên cứu mô phương pháp số phương trình vi phân hữu hạn kết hợp với công thức truy hồi Hình 3.5 Đặc trưng thời gian bẫy vị trí hạt bẫy 18 Trên hình 3.5 đường cong biễu diễn phụ thuộc theo thời gian vị trí hạt bẫy mô phần mềm Matlab Chúng ta thấy thời gian hạt di chuyển vào tâm bẫy ngắn công suất laser lớn sau thời gian định hạt bẫy đạt đến trạng thái ổn định theo phương hướng tâm Theo hình 3.6 trình di chuyển hạt vào tâm kìm độ lớn lực đàn hồi tăng lên, độ lớn quang Hình 3.6 Vị trí cân hướng bán lực tăng lên đến cực đại kính hạt bẫy lực cân giảm dần không tâm kìm Quá trình thay đổi vị trí cân ổn định theo phương hướng tâm phụ thuộc vào công suất chùm laser mô tả đường cong hình 3.9, giai đoạn đầu công suất tăng vị trí cân dịch chuyển đoạn đáng kể, đến giá trị xác định thay đổi Chúng thấy tác dụng lực đàn hồi phân tử ADN vị trí cân hướng tâm không đạt đến tâm kìm Giá trị tiệm cận giảm dần đến không tỉ số công suất với bán kính thắt chùm P / W0 tỉ số chiều dài tổng với khoảng cách từ vị trí ban đầu tới tâm kìm L / 0 lớn Trong hình 3.12 minh họa quỹ đạo vị trí cân hạt không gian (, z ) điều khiển công suất laser yếu Qua cho ta thấy khoảng cách từ vị trí cân đến bán kính thắt chùm dọc theo trục chùm tia vào khoảng  104 m giá trị nhỏ bán kính hạt Vì vị trí cân dọc theo trục coi gần trùng với mặt thắt chùm tia, nên ta điều khiển vị trí cân dọc theo trục truyền lan chùm nguồn laser có công suất yếu Ta thây, với nguồn laser yếu thay đổi công suất chùm điều khiển độ 19 căng phân tử ADN theo phướng hướng tâm, theo hướng dọc trục chùm tia không thay đổi Hình 3.9 Vị trí cân Hình 3.12.Vị trí cân hướng bán kính với công suất không gian (ρ,z) Điều khiển laser yếu laser công suất yếu Vì để điều khiển dọc theo trục chùm tia laser ta cần phải di chuyển mặt thắt chùm tia cách điều chỉnh công suất chùm tia trường hợp công suất lớn, dựa hiệu ứng tự hội tụ Như thể hình 3.3 mặt thắt chùm tia chùm laser vào di chuyển cách thay đổi công suất laser lớn công suất giới hạn Nếu công suất laser tăng vị trí mà quang lực dọc không di chuyển gần lối vào chất lưu phi tuyến 3.3.3 Điều khiển dọc theo trục chùm tia Trong nhiều trường hợp, phân tử ADN chưa đạt đến độ căng tuyệt đối, có nghĩa khoảng cách từ vị trí ban đầu đến trung tâm kìm ngắn độ giãn cực đại chuỗi ADN trạng thái kéo căng chưa đạt đến trạng thái mong muốn Để khắc phụ vấn đề nêu trên, hạt phải điều khiển dọc theo trục chùm tia, tức vị trí tâm phải thay đổi dọc theo trục chùm tia laser Như phương trình 3.17 3.18, vị trí bán kính thắt chùm tâm kìm quang học di chuyển dọc theo trục chùm tia laser hiệu chỉnh công suất chùm laser Vì vậy, cách hiệu chỉnh công suất chùm laser chiếu tới, vị trí cân hạt, di chuyển, trạng thái kéo căng phân tử ADN điểu khiển dọc theo trục chùm tia Ta tăng công suất chùm laser đến giá trị 20 P  1kW  Pcr  1.17kW ; chất lưu phi tuyến mỏng có độ dày d  50m , có nghĩa hạt đặt mặt vào chùm laser z  50m hệ thống nhúng không gian chất lưu , z   15m  15m,  50m  50m  a b Hình 3.13 a: Phân bố cường độ laser mặt phẳng (ρ,z) b: Phân bố quang lực dọc mặt phẳng (ρ,z) Trong hình 3.13 cho thấy mô phân bố cường độ laser quang lực dọc mặt phẳng pha , z  cách mô lặp lặp lại liên tiếp phương trình 3.11 phương trình 3.16 tương ứng Chúng ta thấy rằng, mặt thắt chùm tia cách mặt phẳng lối vào đoạn 50m (hình 3.13a), cách tâm kìm đoạn 92m (hình 3.13b) lực gradient dọc lực tán xạ cân Khi công suất laser tăng mặt thắt chùm tâm kìm có xu hướng dịch trở lại lối vào chất lưu phi tuyến chùm laser hình 3.14 Đường cong đặc trưng mô tả phụ thuộc khoảng cách từ tâm kìm đến lối vào theo thay đổi công suất laser mô tả hình 3.15 a b c d e f 21 g i h Hình 3.14 Phân bố lại cường độ laser (a, d, g); Phân bố quang lực dọc (b, e, h), Vị trí tâm kìm (c, f, i) với công suất laser: 1kW (a, b, c), 1.4kW (d, e, f) 2.2kW (g,h,i) Hình 3.15 Vị trí cân dọc trục với laser công suất lớn 3.4 Điều khiển độ căng phân tử ADN Các hạt liên kết với phân tử ADN nhanh chóng di chuyển vị trí cân hướng tâm gần tâm kìm công suất laser lớn Từ đặc trưng vị trí cân công suất laser hình 3.9, ta thấy cần thiết chọn laser công suất yếu phù hợp cho việc điều khiển vị trí cân theo hướng bán kính hạt mặt phẳng mặt thắt chùm tia Sau hạt giữ cân dọc theo trục chùm tia với laser yếu có công suất nhỏ công suất giới hạn Pcr , hạt điều chỉnh dọc theo trục cách vi chỉnh công suất laser mạnh Từ đặc trưng vị trí cân dọc trục với công suất laser hình 3.15 hạt tự điều khiển dọc theo trục chùm laser khoảng 92  7 m tính từ lối vào chất lưu cách tinh chỉnh công suất laser mạnh thay đổi khoảng từ 1kW tới 3.4kW Như vậy, từ kết bình luận mô hình đề xuất hình 3.1, độ căng phân tử ADN điều khiển cách thay đổi khống chế công suất nguồn laser Thực tế phạm vi điều chỉnh tham số 22 khác cho hạt khác nhau, loại ADN khác chất lưu phi tuyến Kerr khác Sơ đồ khối kìm quang học đề xuất hình 3.1 sơ đồ cho kìm quang học thông thường Trong sơ đồ đề xuất có hai nguồn laser mà công suất thay đổi khoảng rộng khác cỡ mW cỡ kW với lựa chọn chất lưu phù hợp, cụ thể chất lưu có hệ số chiết suất phi tuyến lớn phạm vi biến đổi nguồn laser mạnh nhỏ Đối với laser yếu sử dụng điều khiển hạt bẫy theo hướng bán kính laser mạnh dùng để điều chỉnh hướng dọc trục Tuy nhiên, sơ đồ chỉnh sửa lại cách thay hai nguồn laser nguồn laser mạnh lọc trung tính Sử dụng kìm quang học đề xuất khảo sát trạng thái kéo căng phân tử ADN đạt độ căng mong muốn với trí ban đầu vùng vết chùm tia laser 3.5 Kết luận chương Trong chương này, phương pháp quang học để điều khiển hạt có liên kết với phân tử ADN không gian chất lưu phi tuyến Kerr cách điều chỉnh công suất hai laser thiết kế Quá trình điều khiển hướng tâm hướng trục chùm tia đề xuất khảo sát dựa cạnh tranh lực đàn hồi phân tử ADN quang lực gradient ngang sử dụng laser yếu, hiệu ứng tự hội tụ quang học cường độ chùm laser mạnh chất lưu phi tuyến Nghiên cứu mô số đặc trưng vị trí cân hướng tâm theo công suất yếu laser vị trí cân dọc trục theo công suất mạnh laser tương ứng hình 3.9 hình 3.15, cung cấp cho nhìn độ căng phân tư ADN với chiểu dài bền chiều dài tổng định Dựa kết này, động học loại phân tử ADN mô trước cài đặt cho thực nghiệm Đây định hướng việc sử dụng điều chỉnh công suất laser cho điều khiển độ căng phân tử ADN cách liên tục thay phương pháp điều khiển điện với độ xác 23 KẾT LUẬN CHUNG Luận án tập trung nghiên cứu sử dụng kìm quang học để điều khiển độ căng phân tử ADN nhúng chất lưu phi tuyến đạt kết sau: Đã hiệu chỉnh phương trình mô tả quan hệ lực đàn hồi phân tử ADN vị trí thực vi hạt điện môi gắn vào đầu cuối phân tử ADN, từ hoàn thiện phương trình Langevin mô tả động học vi hạt điện môi môi trường chất lưu; Đã khảo sát cạnh tranh lực tác động lên hạt điện môi ảnh hưởng tham số lên động học kìm quang học phân tích đánh giá trình kéo căng phân tử ADN; Đã khảo sát bình luận ổn định vi hạt điện môi vị trí ổn định (tại vị trí cân lực), khảo sát ảnh hưởng tham số, đặc biệt ảnh hưởng cường độ laser lên vị trí ổn định vi hạt điện môi không gian ba chiều; Đã khảo sát ảnh hưởng cường độ laser lên vị trí vi hạt điện môi phân tích đề xuất phương pháp điều khiển độ căng phân tử ADN gắn với vi hạt điện môi nhúng chất lưu phi tuyến; từ đề xuất mô hình kìm quang học ứng dụng điều khiển độ căng phân tử ADN cách thay đổi cường độ chùm laser Từ kết luận án, rút điểm sau: Đã hiệu chỉnh biểu thức lực đàn hồi phân tử AND để mô tả động lực học hạt liến kết với phân tử ADN tác động quang lực Đã khảo sát trình động lực học vi hạt không gian ba chiều tác động quang lực, từ điều kiện ổn định hạt nano bẫy Đã đề xuất mô hình kìm quang học với mẫu nghiên cứu nhúng dung môi phi tuyến Kerr để điều khiển độ căng phân tử ADN 24 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ TT Công trình Thai Dinh Trung, Ho Quang Quy, Nguyen Van Thoại, (2012) Langevin equation for single biomolecules in optical tweezers, Tạp chí NCKHCNQS,19, 89-93 Quang Quy Ho, Van Nam Hoang, Dinh Trung Thai, Van Lanh Chu, Thanh Le Cao, Doan Thanh Thai, Dynamic of Nanoparticle in Kerr Medium Under Optical Tweezer, PII-11, Hội nghị QHQP toàn quốc lần thứ VIII, Ho Chi Minh city, 26-29/11/2012 V L Chu, D T Thai, Q.Q.Ho (2013), Competition of forces on trapped capability and stability of DNA molecules in optical tweezers, Internatinal Journal of Engineering and Innovaive Technology 3, 1-4 Thái Đình Trung, Cao Thành Lê, Đoàn Hoài Sơn( 2014), Các tham số đặc trưng chuỗi ADN, Tạp chí NCKH Đại học Vinh, sô 43, 88-91 Thái Đình Trung, Cao Thành Lê, Vũ Ngọc Sáu, Chu Văn Lanh (2014), Lực đàn hồi phân tử ADN, Tạp chí NCKHCNQS, 30, 109-112 L.V.Chu, D.T.Thai, Q.Q.Ho(2014), Dynamic of Polystyrene Microsphere Linking to DNA Molecule under Optical Tweezer, J of Phys Science and Application (6),1-6 Thai Dinh Trung, Chu Van Lanh, Hoang Dinh Hai, Ho Quang Quy(2014), Dynamics of DNA Molecules in Optical Tweezer, Advances in Optics, Photonics, Spectrscopy & Applications VIII, ISSN 1859 – 4271(pp180-190) D.T.Thai, V.L.Chu, Q.Q.Ho (2014), Recorrected stretch function of spring-like elastic DNA molecules, I J of Engineering and Innovative Technology, 3(10), 1-4 T.D.Trung, M.V.Luu, C.V.Lanh, T.D.Thanh, H.Q.Quy(2015), Stretching process of plasmid DNA molecule in optical tweezers using CW Gaussian laser beam, J.Adv in Biology, No 8, 1456-1461 Thai Dinh Trung, Mai Van Luu, Chu Van Lanh, Nguyen Van Thinh, Hoang Van Nam, Thai Doan Thanh, Ho Quang Quy(2015), Conditions to stretch plasmid DNA 10 molecule in optical tweezers using CW laser gaussian beam, The 4th academic conference on natural science for young scientist, master and PhD students from Asean countries, Bangkok, Thai Lan, No 12, ISBN: 978-604-913-088-5(pp 166-172) D.T.Thai, V.L.Mai (2016), Dynamics of polystyrene microsphere lingking to -phage 11 DNA molecule in optical tweezers using pulsed Gaussian laser beam, J Adv In Biology (2), 1806-1815 T.T.Dinh, K.D.Quôc, K.B.Xuân, Q.Q.Ho(2016), 3D controlling the bead linking to DNA 12 molecule in a single-beam nonlinear optical tweezers, Opt.Quant Electron 48, 561(ISI) T.D.Trung, B.X.Kien, N.T.Tung, H Q Quý(2016), Dynamics of polystyrene beads linking to DNA molecules under single optical tweezers: A numerical study using full 13 normalized Lagevin equation, J Nonlinear Opt Phys & Material, Vol 25, No.4, 1650054 (11) (ISI) Thai Dinh Trung, Ho Quang Quy, Bui Xuan Kien, Nguyen Van Thinh (2017), Control 14 Bead Linking to DNA Molecule in Space by Laser Power Calibration, Advances in Optics, Photonics, Spectroscopy & Applications, ISBN: 978-604-913-578-1(pp167-172) 25 26 ... CHƯƠNG III ĐIỀU KHIỂN ĐỘ CĂNG CỦA PHÂN TỬ ADN BẰNG KÌM QUANG HỌC KERR Trong chương nghiên cứu kìm quang học để điều khiển hạt điện môi chất lưu phi tuyến, để điều khiển độ căng phân tử ADN phương... bày luận án với tiêu đề : Điều khiển độ căng phân tử ADN dung môi phi tuyến kìm quang học CHƯƠNG I KÌM QUANG HỌC CHO PHÂN TỬ ADN ADN (Acid Deoxyribonucleic) phân tử di truyền cao nhất, mang... điện môi phân tích đề xuất phương pháp điều khiển độ căng phân tử ADN gắn với vi hạt điện môi nhúng chất lưu phi tuyến; từ đề xuất mô hình kìm quang học ứng dụng điều khiển độ căng phân tử ADN