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
Ngày nay, nhiều căn bệnh nghiêm trọng được chứng minh là do hậu quả của
stress oxy hóa. Những tác động từ môi trường đã gây ra hiện tượng mất cân bằng của
hệ thống kháng oxy hóa của cơ thể. Vì vậy khuynh hướng tìm hiểu các chất kháng oxy
hóa bổ sung được các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu và phát triển. Những
khám phá về hoạt tính kháng oxy hóa của một số loại dược liệu cũng như hiệu quả củ
a
chúng trong việc ngăn ngừa và chữa trị các loại bệnh nguy hiểm như ung thư, xơ vữa
động mạch, tim mạch… đã thu hút sự quan tâm chú ý của các nhà nghiên cứu.
Cây trà có tên khoa học là Camellia sinensis, có nguồn gốc từ Trung Quốc, Ấn
Độ, Myanmar. Từ xa xưa người Trung Quốc đã biết sử dụng trà như một loại thảo
dược để chữa trị một số bệnh đơn giản. Sau đó nhờ
hương vị đặc trưng, trà được chế
biến thành một loại thức uống phổ biến và được du nhập đến nhiều nơi trên thế giới.
Càng ngày càng có nhiều nghiên cứu chứng minh rằng trà xanh có khả năng kháng lại
nhiều loại bệnh nhờ hoạt tính kháng oxy hóa của nó.
Thành phần lá trà xanh bao gồm nhiều chất khác nhau. Trong đó polyphenol
được cho là thành phần có hoạt tính kháng oxy hóa rất cao. Tuy nhiên nhiều nghiên
cứu gần đây cho thấy ho
ạt tính sinh học của trà xanh còn được quy định bởi các thành
phần khác. Ngoài ra, nhiều phân tích cho thấy các báo cáo chưa cho kết luận thống
nhất về tác dụng tích cực của trà xanh. Do đó chúng tôi thực hiện đề tài “ Nghiên cứu
khả năng kháng oxy hóa của các phân đoạn cao chiết trà xanh” nhằm mục tiêu sau:
Khảo sát xây dựng quy trình tách chiết các phân đoạn trong cao chiết toàn phần từ trà
xanh. Và xác định phân đoạn nào có khả năng kháng oxy hóa tốt nhất. Các phân đo
ạn
phân tách không bị loại các thành phần có ích, đồng thời việc phân đoạn sẽ làm giàu
những cấu tử có hoạt tính kháng oxy hóa. 1
của các phân tử ở khoảng thời gian femto giây (
15
10
−
s) luôn là mong muốn của các
nhà khoa học [19], [26], [27].
L
aser 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 mi
ền 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],
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
ph
ổ 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 l
ại 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 t
ử với gần đúng Born-
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 l
ập 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
đượ
c 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 180
0
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
hành mô phỏng quá trình tautome của cytosine khi phân tử này chuyển từ trạng thái
imino sang trạng thái amino. Sau đó, tôi khảo sát năng lượng c
ủa 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 2.0. Trong chương này, trình tự các bước mô phỏng HHG và k
ết quả
tính toán để thu nhận các thông tin cấu trúc phân tử cần thiết cho quá trình phát xạ
HHG được trình bày cụ thể. Phân tích dữ liệu HHG có được, tôi rút ra những thông
tin có ý nghĩa và cần quan tâm, đó là khả năng phân biệt các trạng 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 được
quan tâm nhiều nên tôi cũng đưa ra hướng phát triển của luận văn để tiếp tục nghiên
cứu.
7
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.
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
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
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
IRC: (Intrinsic Reaction Coordinate)
LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Opt: Tối ưu hóa (Optimization)
PES: Mặt thế năng (Potential Energy Surface)
8
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 tác giữa trường laser với nguyên tử, phân tử.
Để mô phỏng HHG phát ra, tôi áp dụng mô hình ba bước Lewenstein thông qua
chương trình tính toán Lewmol 2.0. Đồng thời, chương này cũng đề cập đến
phương pháp mô phỏng động lực học phân tử (MD) và phép gần đúng Born-
Openheimer được sử dụng trong phần mềm Gaussian. Đây là phần tổ
ng quan, khi
viết tôi sử dụng các tài liệu tham khảo sau [2], [3], [7], [8], [14], [25], [29], [46].
nhiều nhà khoa học trên thế giới.
Tại Đại học Colombia, Charles Hard Townes nghiên cứu về
khả
năng sử
dụng bức xạ cưỡng bức cho phổ học phân tử. Do trình độ kỹ thuật chưa
cho
phép
9
chế tạo một thiết bị đủ nhỏ để phát ra sóng ngắn, Townes nảy ra ý tưởng
sử
dụng ngay chính các phân tử để phát ra tần số như mong muốn. Năm 1953,
Townes
cùng các đồng nghiệp công bố một thiết bị gọi là MASER
(Microwave
Amplification by Stimulated Emission of Radiation), nghĩa là sự
khuếch đại
sóng
vô tuyến do bức xạ cưỡng bức. Sau khi chế tạo MASER,
Townes lại nhận thấy
rằng
vùng sóng ánh sáng hồng ngoại và khả kiến có thể
giúp cho việc nghiên cứu
phổ
học hiệu quả hơn là vùng sóng vô tuyến do
MASER phát ra.
Ông hợp tác với Arthur
Leonard
Schawlow, một nhà nghiên cứu
tính này mà laser có tác dụng định hướng rất tốt và thường được dùng trong các
dụng cụ định vị.
+ Tính đơn sắc: các photon phát ra mang cùng một năng lượng
hν nên ánh
sáng rất đơn sắc. Chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Do vậy
chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết
suất khác nhau. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có được.
10
+ Tính kết hợp: các photon phát ra trong trường hợp laser đều đồng pha nên
ánh sáng laser là chùm sáng kết hợp. Chính vì vậy laser có thể gây ra những tác
dụng rất mạnh (tổng hợp dao động đồng pha).
+ Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây, nano giây, pico giây cho
phép tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn.
Với những đặc tính trên, khác hẳn với các chùm sáng thông thường, tia laser
có những công dụng rất hữu ích và được áp dụng trong rất nhiều lĩnh v
ực khoa học
kỹ thuật và đời sống, đặc biệt hiện nay là ngành khoa học nghiên cứu về thế giới vi
mô.
Tương tác giữa trường laser với nguyên tử và phân tử
Tương tác phi tuyến của nguyên tử, phân tử đối với trường laser thể hiện ở
sự phụ thuộc phi tuyến của độ phân cực cảm ứng của môi trường vào điện trường
hoặc từ tr
ường của nguồn bức xạ kích thích. Độ phân cực này được xác định theo
biểu thức:
i
i
i
) gọi là sự dịch chuyển Stark. Xác suất để nguyên tử vẫn tồn tại ở trạng
thái cơ bản là lớn và sự giãn nở của hàm sóng của trạng thái này vẫn duy trì ở cấp
11
của bán kính Bohr a
B
. Với những điều kiện như vậy thì các tương tác phi tuyến giữa
nguyên tử và trường laser có thể được mô tả một cách gần đúng bằng phương pháp
lý thuyết nhiễu loạn. Do đó, vùng này được gọi là vùng nhiễu loạn của quang học
phi tuyến.
Trong trường hợp này, độ phân cực P [As/m
2
] của một tập hợp các nguyên tử
có thể được khai triển thành chuỗi Taylor và viết dưới dạng chồng chất của các
thành phần tuyến tính và phi tuyến:
(
)
.PEP
nl
1
0
+χε= (1.2)
với
() ()
(
)
,EEEP
44
0
≈
χ
χ
++
h
(1.4)
với E
a
là biên độ (phụ thuộc thời gian) của bức xạ laser phân cực thẳng có tần số
0
ω
;
h là hằng số Planck và a
B
là bán kính Bohr.
Với α
bb
<< 1 thì chuyển dời giữa các trạng thái liên kết đủ nhỏ để có thể khai
triển như (1.3). Nhưng khi có sự ion hóa thì sự chuyển dời từ trạng thái liên kết sang
trạng thái tự do cần được tính đến.
Năm 1965, Keldysh đã xác định được tham số tỉ lệ, gọi là hệ số Keldysh
aaB
0
0P
1eE eEa
2mI
==
γω
ω
, sự ion hóa nguyên tử chỉ có thể diễn ra theo cơ chế đa photon, nghĩa
là nguyên tử hấp thụ liên tiếp nhiều photon làm cho năng lượng của nó tăng dần đến
khi lớn hơn thế ion hóa I
p
. Khi cường độ trường laser tăng lên đến mức đủ lớn để
không thể coi là nhiễu loạn thì phép gần đúng không còn chính xác nữa.
Trường hợp trường laser tương đương hoặc mạnh hơn trường Coulomb
Khi đó, sự ion hóa mãnh liệt sẽ xảy ra, dẫn đến một xác suất đáng kể để
electron lớp ngoài cùng thoát khỏi nguyên tử từ trạng thái của nó theo cơ chế ion
hóa xuyên hầm hoặc ion hóa vượ
t rào trước khi điện trường của laser đổi chiều. Bó
sóng electron sau đó sẽ dao động trong trường phân cực thẳng của laser với biên độ
dao động lớn hơn bán kính Bohr nhiều về độ lớn; electron sẽ được tăng tốc trong
mỗi chu kỳ với động năng thu được có thể lớn hơn năng lượng liên kết nguyên tử I
p
.
Vùng tương tác này gọi là vùng trường mạnh của quang học phi tuyến. Trong vùng
này thì sự phân cực phi tuyến gây ra bởi sự ion hóa trường quang học chỉ xuất hiện
khi electron vẫn còn liên kết với ion mẹ của nó. Khi electron đã được giải phóng tự
do thì chuyển động của nó tuân theo các phương trình của cơ học Newton.
Khi hệ số Keldysh
1
1
>
γ
thì trường laser mạnh hơn trường Coulomb đến mức
làm cho electron liên kết yếu nhất với hạt nhân có năng lượng - I
P
xuyên qua rào thế
electron được giải phóng.
Tóm lại, khi vật chất được đặt vào một trường laser sẽ dẫn đến sự hiệu chỉnh
dạng thế năng (đường liền nét) là tổng hợp của thế năng Coulomb (đường đứt nét)
và thế năng hiệu dụ
ng phụ thuộc thời gian của xung laser. Cụ thể, ta có các cơ chế
ion hóa khi laser tương tác với nguyên tử, phân tử được mô tả như hình 1.1.
Hình 1.1. Các cơ chế ion hóa. 14
(a) Ion hóa đa photon : Ở cường độ yếu và trung bình, thế năng hiệu dụng
gần giống với thế năng Coulomb không bị nhiễu loạn và một electron chỉ có thể
được giải phóng bằng cách hấp thụ một cách tự phát N photon.
(b) Ion hóa xuyên hầm: Khi cường độ trường đủ mạnh, hàng rào Coulomb
trở nên hẹp hơn, cho phép sự ion hóa xuyên hầm xảy ra và tạo thành một dòng
xuyên hầm phụ thuộc đoạn nhiệt vào sự thay
đổi của thế năng tổng hợp.
(c) Ion hóa vượt rào: Khi cường độ trường rất mạnh, biên độ điện trường đạt
đến giá trị đủ để vượt qua hàng rào Coulomb bên dưới mức năng lượng của trạng
thái cơ bản, mở đường cho sự ion hóa vượt rào.
của electron khi tương tác với hạt nhân mẹ sẽ lớn, nhờ vậy sóng phát ra sẽ có năng
lượng lớn hơn bình thường.
Do đó, ban đầu các thí nghiệm về sự phát xạ sóng hài bậc cao được tiến hành
với m
ục đích chính là để khảo sát những điều kiện quang học cần thiết cho sự phát
xạ sóng hài bậc cao, từ đó phát triển nguồn phát xạ ánh sáng xung ngắn trong vùng
XUV và vùng tia X mềm. Tuy nhiên, trong quá trình tìm hiểu về phổ phát xạ của
sóng hài đối với một số phân tử đơn giản, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng phổ
phát xạ sóng hài phụ thuộc vào sự định hướng của trục phân tử. Hơn nữ
a, sự phát xạ
sóng hài xảy ra tại thời điểm tái kết hợp electron và ion mẹ, do đó các nhà nghiên
cứu đã cho rằng sóng hài bậc cao mang thông tin cấu trúc của phân tử. Từ đó đã mở
ra một hướng nghiên cứu mới trong vật lí học: sử dụng sóng hài bậc cao phát ra khi
trường laser xung ngắn, cường độ mạnh tương tác với phân tử, nguyên tử để tìm
hiểu về thông tin cấu trúc của các phân tử. Đây là mộ
t trong những lĩnh vực thu rút
nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới [19], [33], [34]. Ngoài ra,
gần đây HHG còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như ion hóa photon,
quang phổ học plasma, phân tích huỳnh quang tia X [20], [29].
Copyright: Tài liệu đại học ©