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 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 hồn thành tốt khóa học luận văn này, nhận động viên, giúp đỡ từ thầy cơ, gia đình bạn bè Thơng 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 Tơi 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 tơi để luận văn hồn thành thời gian nhanh 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 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 tốn 1.1 Phát xạ sóng hài bậc cao (HHG) 1.2 Mơ 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 61 Tài liệu tham khảo 62 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 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 Bảng 2.1 Chiều dài liên kết góc liên kết phân tử cytosine 36 Bảng 2.2 Các thông số cấu trúc trạng thái cytosine 42 Chương Bảng 3.1 Tọa độ nguyên tử phân tử cytosine trạng thái imino 48 ii 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 Mơ 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 = × 1014 W cm , bước sóng 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 iii Hình 2.11 PES vùng đặc trưng 39 Hình 2.12 Quá trình tautome cytosine chuyển từ trạng thái imino sang trạng thái amino 40 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 Chương Hình 3.1 Mơ 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 vng 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 vng góc 53 Hình 3.6 Góc cấu trúc θH xác định vị trí nguyên tử hydro H10 phân tử cytosine 55 iv 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 vng góc phụ thuộc vào góc định phương góc cấu trúc q trình tautome cytosine ứng với bậc 19, 25, 27, 29 31 58 v PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT Q TRÌNH TAUTOME • Sự phát xạ sóng hài bậc cao (HHG) Cut off Plateau Lewenstein M., et al (1994), Phys Rev A 49, 2117 23 PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT Q TRÌNH TAUTOME • Cơ chế phát xạ HHG Mơ hình ba bước Lewenstein: U(x,t) Trường laser x Ip electron Ion hóa xuyên hầm Electron ñược gia tốc trường laser Electron tái kết hợp với ion mẹ phát photon Lewenstein M., et al (1994), Phys Rev A 49, 2117 24 PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT Q TRÌNH TAUTOME • Mơ hình thí nghiệm tương tác laser với cytosine 25 PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT Q TRÌNH TAUTOME • Mơ hình tương tác máy tính Gaussvie w Cấu trúc giả định HHG Gaussian HOMO Chương trình Lewmol 2.0 LASER fs, 1014W/cm2, λ = 800nm 26 PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT QUÁ TRÌNH TAUTOME • Mơ electron lớp ngồi (HOMO) phân tử cytosine Imino Trạng thái chuyển tiếp Amino Sử dụng phần mềm Gaussview, Gaussian 03W kết hợp với ñoạn mã get_wf_xie-modify.f chương trình Lewmol 2.0 để thu nhận thơng tin HOMO phân tử 27 PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT Q TRÌNH TAUTOME • Cường ñộ HHG cytosine theo tần số dao ñộng phát Trạng thái HHG song song HHG vuông góc Imino Chuyển tiếp Amino 28 PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT Q TRÌNH TAUTOME • Sự phát xạ sóng hài cytosine theo góc định phương Imino Trạng thái chuyển tiếp Amino 29 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 30 QUÁ TRÌNH TAUTOME TRONG PHÂN TỬ CYTOSINE Quá trình tautome dạng imino-amino phân tử cytosine Imino Amino Trạng thái chuyển tiếp 31 PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT Q TRÌNH TAUTOME • Góc cấu trúc xác định vị trí ngun tử Hydro H10 trình tautome cytosine θH 32 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 • Theo phương HHG song song với vectơ phân cực laser vào: 33 PHÁT XẠ HHG CỦA CYTOSINE VÀ DẤU VẾT QUÁ TRÌNH TAUTOME Sự phát xạ sóng hài theo góc định phương góc cấu trúc suốt q trình tautome phân tử cytosine • Theo phương HHG vng góc với vectơ phân cực laser vào: 34 KẾT LUẬN • Mơ cấu trúc tối ưu hóa phân tử cytosine ba trạng thái ñặc trưng imino, amino chuyển tiếp phần mềm Gaussian 03W Phù hợp với số liệu thực nghiệm cơng trình mơ khác • Mơ q trình đồng phân hóa cytosine chuyển từ trạng thái imino sang trạng thái amino Thu ñược giá trị lượng phân tử trạng thái khác suốt trình tautome ñược minh họa cụ thể qua PES IRC Tính tốn lượng kích hoạt cho q trình tautome 1.79 eV lượng tương quan hai trạng thái cân 0.08 eV • Tính tốn thơng tin cấu trúc phân tử, đặc biệt HOMO cytosine ba trạng thái ñặc trưng để phục vụ cho việc mơ HHG 35 KẾT LUẬN • Mơ q trình phát xạ HHG cho laser tương tác với ba trạng thái đặc trưng thơng qua chương trình Lewmol 2.0 Dựa vào phụ thuộc HHG vào góc định phương phân biệt trạng thái • Khảo sát HHG phát suốt trình đồng phân hóa, phân tích đỉnh cường độ phát xạ sóng hài tương ứng với vị trí ñồng phân Qua ñó phân biệt ñược ñồng phân từ phổ sóng hài bậc cao phát xạ Kết ñã khả theo dõi trình tautome laser xung cực ngắn, cường ñộ mạnh qua chế phát xạ HHG 36 XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN ! 37 ... 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... thái cân bền amino Ta mơ tả q trình hình 2.12 Cytosine - imino Cytosine – chuyển tiếp Cytosine - amino Hình 2.12 Quá trình tautome cytosine chuyển từ trạng thái imino sang trạng thái amino Do đó,... dõi q trình tautome cytosine, bốn base ADN Đó lý chọn đề tài: ? ?Theo dõi trình tautome dạng imino- amino cytosine xung laser siêu ngắn? ?? Để thực mục tiêu đó, tơi xác định nội dung nghiên cứu sau: