Luận văn tốt nghiệp đại học: Theo dõi quá trình động học phân tử Thymine bằng lade xung cực ngắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

KHOA VẬT LÝ

  

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

THEO DÕI QUÁ TRÌNH ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ THYMINE

BẰNG LADE XUNG CỰC NGẮN

GVHD: PGS.TSKH. LÊ VĂN HOÀNG

SVTH: HOÀNG VĂN HƯNG

NIÊN KHÓA: 2006 – 2010

Tp. Hồ Chí Minh – Năm 2010

Để hoàn thành tốt nhất khóa học và luận văn này, tôi đã nhận được sự động viên giúp đỡ, khích lệ về

mặt vật chất cũng như tinh thần từ thầy cô, gia đình, bạn bè và người thân. Thông qua luận văn này tôi xin

gửi tới lời cảm ơn chân thành nhất đến tất cả mọi người.

Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn PGS.TSKH. Lê Văn Hoàng đã tận tình hướng

dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi thực hiện luận văn này.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Ngọc Ty đã tận tình hướng dẫn tôi trong

việc làm quen và sử dụng các phần mềm mô phỏng cũng như động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện

luận văn này.

Tôi xin cảm ơn gia đình đã tạo mọi điều kiện, động viên giúp tôi vững tâm học tập trong những năm

học đại học cũng như trong thời gian tôi làm luận văn.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Vật lý-Trường ĐHSP. TP.HCM đã tận tình giảng

dạy truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong những năm tháng trên giảng đường đại học để tôi có

được hành trang vững chắc nhất trên con đường vào đời.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thành viên trong nhóm nghiên cứu cũng như bạn bè đã giúp đỡ, động

viên tôi trong thời gian làm luận văn cũng như những năm tháng trên giảng đường đại học .

Cuối cùng tôi xin gửi lời chúc sức khỏe đến thầy cô, gia đình và bạn bè.

TP.Hồ Chí Minh, ngày 29-4-2010

Hoàng Văn Hưng

LỜI CẢM ƠN

Trang MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................... 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ........... Error! Bookmark not defined.

................................................................................................ 6 LỜI MỞ ĐẦU

Chương 1 Cơ sở lý thuyết về ADN .......................................................... 12

1.1 Thành phần và cấu trúc của ADN ..................................................... 12

1.1.1 Thành phần ................................................................................ 12

...................................................................................... 15 1.1.2 Cấu trúc

1.2 Chức năng sinh học của ADN ........................................................... 16

............................................................... 16 1.3 Quá trình tự nhân đôi ADN

1.4 Đột biến ............................................................................................ 17

1.4.1 Đột biến do tác nhân hóa học ..................................................... 17

.................................................... 18 1.4.2 Đột biến do lỗi sao chép ADN

...................... 21 Chương 2 Tổng quan về lade và cơ chế phát xạ sóng hài

2.1 Lý thuyết về lade .............................................................................. 21

2.1.1 Sơ lược về lade ........................................................................... 21

..................................................... 22 2.1.2 Nguyên lý hoạt động của lade

2.1.3 Tính chất của lade ...................................................................... 23

2.1.4 Các chế độ hoạt động của lade .................................................... 23

......................................... 24 2.1.5 Sự phát triển của lade xung siêu ngắn

2.2 Tương tác giữa trường lade với nguyên tử, phân tử ........................... 25

.............................................. 26 2.2.1 Giới thiệu về quang học phi tuyến

2.2.2 Tương tác giữa trường lade và nguyên tử ................................... 26

............................... 29 2.2.3 Tương tác của nguyên tử với một xung lade

2.2.4 Hệ số Keldysh ............................................................................ 30

2.2.5 Tốc độ ion hóa ............................................................................ 31

.............................................................. 32 2.3 Sự phát xạ sóng hài bậc cao

2.3.1 Giới thiệu về sóng hài bậc cao .................................................... 32

...................................................... 33 2.3.2 Mô hình ba bước Leweistein

............................. 37 Chương 3 Mô hình tính toán và mô hình thí nghiệm

3.1 Giới thiệu về phần mềm Gaussian ..................................................... 37

3.1.1 Các chức năng tính toán ............................................................. 37

................................................................ 38 3.1.2 Phương pháp tính toán

3.1.3 Hệ hàm cơ sở ............................................................................. 39

3.1.4 Cấu trúc nguyên tử, phân tử ........................................................ 39

.................................................................. 40 3.2 Giới thiệu về FORTRAN

3.3 Mô hình thí nghiệm mô phỏng .......................................................... 40

Chương 4 Kết quả .................................................................................... 41

.......................... 41 4.1 Mô phỏng cấu trúc và HOMO của phân tử thymine

.................................... 43 4.2 Phân biệt các trạng thái của phân tử thymine

4.3 Mô phỏng quá trình động học phân tử của phân tử thymine .............. 45

4.4 Theo dõi quá trình động học phân tử của phân tử thymine ................ 46

KẾT LUẬN ................................................................................................. 49

HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................. 50

........................................................................... 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADN: Axit Deoxyribonucleic AS: Attosecond(10-18 s)

DFT: Phương pháp phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory) FS: Femtosecond (10-15 s)

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: lade (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Opt: tối ưu hóa (Optimization)

PES: Mặt thế năng (Potential Energy Surface) PS: Picosecond (10-12s)

LỜI MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, hầu như không một sự phát triển nào của khoa học kỹ

thuật lại không mang trong nó những thành tựu của nền khoa học cơ bản nói chung và Vật lý học

nói riêng. Vật lý không chỉ đi sâu nghiên cứu tìm hiểu các quá trình, các quy luật vận động của sự

vật diễn ra trong cuộc sống mà còn tiến sâu hơn vào thế giới của những phân tử, nguyên tử, những

electron vô cùng nhỏ bé. Ở trong thế giới này những quy luật vận động, những định luật Vật lý ở thế

giới vĩ mô dường như đã b ị vi phạm. Làm thế nào để đi sâu khám phá bản chất của thế giới vi mô

luôn là đề tài nóng hổi và có tính thời sự. Để làm được điều đó, chúng ta cần có những công cụ,

những thước đo và giá trị đo của nó tương ứng với những thang đo trong thế giới vi mô. Để tìm hiểu

thông tin cấu trúc phân tử, nguyên tử quang phổ hồng ngoại, nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ điện tử hay tán

xạ Raman là những phương pháp thường được sử dụng. Tuy nhiên khi sử dụng những phương pháp

này có một hạn chế là chúng ta chỉ có thể biết được những thông tin về cấu trúc tĩnh c ủa phân tử,

nguyên tử như khoảng cách, góc liên kết giữa các nguyên tử. Nguyên nhân của điều này chính là do

độ phân giải của các phương pháp trên lớn hơn rất nhiều so với thời gian diễn ra quá trình vận động

của các quá trình trên. Như chúng ta đã bi ết sự dao động của các nguyên tử diễn ra trong thời gian cỡ femto giây (1 fs = 10-15s), còn đi ện tử chuyển động quanh hạt nhân còn ở thang thời gian thấp hơn nữa: mức atto giây (1 as = 10-18s). Trong khi đó độ phân giải của các phương pháp trên chỉ vào cỡ pico giây (1 ps = 10-12 s). Trong bối cảnh đó sự ra đời của các xung lade xung cực ngắn đã tạo

điều kiện cho các nhà khoa học có thể đi sâu khám phá cấu trúc động của phân tử.

Năm 1960 lần đầu tiên con người đã “chinh phục được ánh sáng” bằng cách chế tạo ra nguồn

lade đầu tiên (vài trăm micro giây) và kéo theo đó là cuộc chạy đua trong khoa học kỹ thuật để có

thể có được những xung lade có xung ngày càng ngắn hơn. Năm 1961 chúng ta đã có xung 10 ns,

năm 1966 là 100 ps. Cuộc chạy đua để rút ngắn xung lade ngày càng diễn ra quyết liệt hơn. Và đến

năm 2001, xung 1 fs đã đư ợc chế tạo báo hiệu cho một sự phát triển trong ngành khoa học thang

thời gian femto giây. Tưởng chừng như bức tường femto giây là một giới hạn khó vượt qua thì chỉ

mất có 5 năm, bức tường femto giây đã bị xô đỗ. Năm 2006 nhóm các nhà khoa học thuộc phòng thí

nghiệm quốc gia Ý đã chế tạo thành công lade có độ dài xung 130 as, thậm chí số liệu gần đây nhất

Berkeley. Nhờ có những tiến bộ này, tìm hiểu cấu trúc động phân tử trở thành một đề tài được quan tâm

trong cộng đồng khoa học. Năm 1994 nhóm các nhà khoa học Canada đã sử dụng lade có độ dài xung 30 fs

cho tương tác với phân tử khí N

2. Từ nguồn dữ liệu HHG (High – order Harmonic Generation), hình ảnh

HOMO (Highest Occupied Moleculer Orbital) của phân tử khí N2 đã được tái tạo. Đặc biệt lade sử dụng

cho biết xung lade 80 as đã được chế tạo thành công tại phòng thí nghiệm Max-Planck và Lawrence

nghiên cứu mới trong cộng đồng khoa học. Hàng loạt công trình được công bố sử dụng nguồn HHG để chụp

ảnh của phân tử, trích xuất thông tin khoảng cách liên hạt nhân, theo dõi quá trình động học phân tử đã được

nghiên cứu [6], [7]. Cụ thể, trong các công trình [6], [7] các tác giả đã khẳng định được rằng có thể sử

có độ dài xung 30 fs do đó thông tin thu được là thông tin động. Chính sự thành công này đã m ở ra hướng

dụng nguồn dữ liệu HHG để theo dõi quá trình đ ồng phân hóa HCN/HNC và acetylen/vinyliden bằng cách cho lade có xung cực ngắn (10 fs) và cường độ mạnh (~1014W/cm2 ) tương tác với các

phân tử. Chính những công trình này đã định hướng cho chúng tôi thực hiện luận văn “Theo dõi quá

trình động học phân tử thymine bằng lade siêu ngắn”.

ADN (Axit Deoxyribonucleic) là phân tử mang thông tin di truyền mã hóa cho hoạt động

sinh trưởng và phát triển của tất cả các dạng sinh vật sống bao gồm cả một số virus. ADN gồm ba

thành phần cơ bản: bazơ nitơ, đường pentose, nhóm phosphate và được coi là vật liệu di truyền ở

cấp độ phân tử tham gia quyết định các tính trạng. ADN được tạo thành bởi hai chuỗi xoắn kép liên

kết với nhau bởi liên kết hydro, mỗi sợi đơn là một chuỗi polynucleotide gồm nhiều các nucleotide

nối với nhau bằng liên kết phosphodieste [1]. Thông tin di truyền chứa trong ADN được giải mã

dưới dạng trình tự sắp xếp của các bazơ nitơ . Bazơ nitơ trong phân tử ADN là các dẫn xuất của

pyrimidine gồm cytosine (C) và thymine (T); hoặc của purine gồm adenine (A) và guanine (G). Các

nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng mỗi bazơ nitơ thường tồn tại dưới hai dạng đồng

phân hỗ biến (tautomer): bazơ nitơ purine có hai tautomer là amino (bền) và imino (kém bền), bazơ

nitơ pyrimidine có hai tautomer là keto (bền) và enol (kém bền). Thông thường, các bazơ nitơ sẽ tồn

tại trong phân tử ADN dưới dạng tautomer phổ biến (keto và amino). Tuy nhiên trong quá trình phát

triển của sinh vật, đôi khi dưới một số điều kiện nào đó, các bazơ nitơ sẽ không tồn tại ở dạng

tautomer phổ biến nữa mà chuyển sang dạng tautomer hiếm gặp hơn là enol và imino. Các dạng

hiếm gặp này 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, khi đó các cặp bazơ nitơ được hình thành là A

và C (bằng hai liên kết hydro); G và T (bằng ba liên kết hydro). Sau hai lần sao chép thì cặp A và T

thành G và C, cặp G và C thành cặp A và T, dẫn đến hậu quả là thông tin di truyền không được

nguyên vẹn cho thế hệ sau. Cơ chế gây đột biến gen như vậy gọi là sự hỗ biến hóa học (tautomerism

hay tautomer hóa) [1]. Do tính chất quan trọng của quá trình tautomer hóa đối với sự đột biến gen

nên quá trình này đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhóm khoa học trên thế giới kể cả lý

thuyết và thực nghiệm [15]. Các nhà nghiên cứu cũng nh ận thấy rằng thời gian của quá trình

tautomer hóa là vào cỡ femto giây. Tuy nhiên, do những hạn chế về các phương pháp hiện tại đã

nêu nên thông tin thu nhận được chỉ là những thông tin tĩnh. Mong mu ốn thu nhận được thông tin

động ở cấp thời gian femto giây và can thiệp vào quá trình tautomer hóa của các bazơ nitơ đã trở

thành mục tiêu của các nhà nghiên cứu trên thế giới. Và đây cũng chính là mục tiêu của luận văn

của chúng tôi: làm thế để có thể theo dõi được quá trình tautomer hóa của các bazơ nitơ bằng nguồn

dữ liệu HHG thu được khi cho các bazơ nitơ tương tác với lade xung cực ngắn, cường độ mạnh.

Trong phạm vi của một luận văn tốt nghiệp chúng tôi chọn phân tử thymine có cấu trúc một mạch

vòng là đối tượng nghiên cứu.

Để thực hiện mục tiêu này chúng tôi cần phải mô phỏng được HHG phát ra khi cho lade có xung cực ngắn 5 fs cường độ mạnh 2.1014W/cm2 tương tác với phân tử. Khi cho lade này tương tác

với phân tử, nguyên tử có rất nhiều hiệu ứng phi tuyến xảy ra tuy nhiên chúng tôi chỉ chú ý đến hiệu

ứng phát xạ HHG. HHG được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1988 bởi nhóm các nhà khoa học

người Pháp M. Ferray khi cho lade tương tác với khí trơ. Việc xây dựng một cơ sở lý thuyết hoàn

chỉnh cho quá trình phát xạ HHG đã trở thành một đề tài nóng bỏng và có tính thời sự. Thực chất

bài toán của chúng ta ở đây chính là giải phương trì nh Schrodinger phụ thuộc vào thời gian khi

electron chịu tác dụng của trường lade. Bài toán này đã đư ợc giải chính xác cho phân tử đơn giản

(phương pháp TDSE). Tuy nhiên không phải bao giờ chúng ta cũng có như H2, hay ion của nó H2

được nghiệm giải tích cho bài toán này. Do đó cần có những mô hình Vật lý để đơn giản đi quá

trình tính toán và tất nhiên những mô hình này vẫn giữ được bản chất Vật lý của hiện tượng. Một

trong những mô hình đư ợc cộng đồng khoa học chấp nhận rộng rãi đó là mô hình ba bước

Lewenstein. Đây là mô hình bán c ổ điển, tinh thần chủ yếu của mô hình này chính là dựa trên sự

chuyển động của electron dưới tác dụng của điện trường của trường lade. Theo mô hình này đi ện tử

sẽ bị ion hóa xuyên hầm và ra vùng tự do. Sau đó điện tử sẽ được gia tốc dưới tác dụng của trường

lade mạnh, khi trường lade đổi chiều điện tử quay trở lại kết hợp với ion mẹ và phát ra sóng thứ cấp

chính là HHG. Sự phát xạ xảy ra khi ion tái va chạm với ion mẹ do đó HHG phát ra mang nhiều

thông tin cấu trúc phân tử. Do nguồn dữ liệu HHG trên thực tế có rất ít do đó công việc chúng tôi

cần làm là phải mô phỏng được HHG này. Phương pháp được sử dụng ở đây chính là mô hình ba

bước Lewenstein cho quá trình phát xạ HHG và công cụ được sử dụng mô phỏng là ngôn ngữ lập

trình FORTRAN. Chương trình tính toán đư ợc xây dựng đầu tiên bởi GS. Lin Chii-Dong (Đại Học

Kansas, Mỹ) và sau đó được phát triển bởi nhóm các nhà khoa học tại Khoa Vật lý trường

ĐHSP.TPHCM. Chương trình tính toán này đã được kiểm chứng qua các công trình đăng trên c ác

tạp chí Vật lý quốc tế có uy tín. Ở đây, chúng tôi không tiến hành viết lại chương trình tính toán này

hiện luận văn này.

mà chỉ tiếp thu các kỹ thuật tính toán được sử dụng và xem như đây là một công cụ cho chúng tôi thực

Tuy nhiên để có được cấu trúc phân tử thymine phục vụ cho việc mô phỏng HHG thì chúng

tôi phải mô phỏng được cấu trúc của phân tử thymine. Cấu trúc ở đây chính là các thông tin về

khoảng cách nguyên tử, góc liên kết, thế ion hóa của phân tử, đặc biệt chính là của phân tử. Để làm

được điều này, chúng tôi sử dụng phương pháp lý thuy ết phiếm hàm mật độ DFT (Density

Functional Theory), có tính đến hiệu chỉnh Gradient B3LYP và hệ h àm cơ sở 6-31G+(d,p) thông

qua việc sử dụng phần mềm Gaussian 03W. Bằng phương pháp này chúng tôi đã mô phỏng được ba

trạng thái của phân tử thymine: enol, trạng thái chuyển tiếp và keto. Kết quả thu được hoàn toàn phù

hợp với thực nghiệm trong phạm vi sai số cho phép. Khi có được các thông tin này, tiến hành thí

nghiệm cho lade tương tác với phân tử chúng tôi đã mô phỏng được HHG phát ra do sự tương tác

này. Khảo sát sự phụ thuộc vào góc định phương của phân tử, chúng tôi nhận thấy không thể phân

biệt được ba trạng thái cân bằng do hình dạng HOMO với ba trạng thái này là khá giống nhau. Tuy

nhiên điều chúng tôi quan tâm ở đây chính là quá trình tautomer hóa của thymine. Để có được quá

trình tautomer hóa này, sử dụng phương pháp động lực học với gần đúng Born – Oppenheimer,

chúng tôi đã mô phỏng được quá trình tautomer hóa của thymine, khảo sát mặt thế năng cũng như

đường phản ứng hóa học của thymine. Khi đã mô phỏng được đường phản ứng hóa học này chúng

tôi đã tiến hành cho lade tương tác với phân tử thymine trong cả quá trình quá trình tautomer hóa

này. Từ dữ liệu HHG thu được chúng tôi đã khẳng định được rằng có thể theo dõi quá trình

tautomer hóa này.

Bố cục của luận văn được chia làm 4 chương chính không kể phần mở đầu và phần kết luận.

Trong chương 1: “Cơ sở lý thuyết về ADN” chúng tôi sẽ trình bày một cách ngắn gọn về cấu trúc,

đặc điểm, cơ chế đột biến trong phân tử ADN, trong đó sẽ giới thiệu về quá trình tautomer hóa là

quá trình một tautomer của bazơ nitơ này bị biến đổi thành dạng tautomer khác hiếm gặp hơn, từ đó

dẫn đến kết quả bắt cặp sai, và hậu quả là gây đột biến gen. Nắm được những thông tin khái quát về

ADN, hay cụ thể đó là sự đột biến do quá trình hỗ biến hóa học của các bazơ nitơ trong ADN sẽ

giúp cho chúng ta thấy được tầm quan trọng và cần thiết trong việc nắm bắt thông tin cấu trúc động

của phân tử ở cấp thời gian femto giây, để từ đó có thể chủ động can thiệp vào quá trình gây nên đột

biến gen trong cơ thể sinh vật.

Trong chương 2 “Tổng quan về lade và cơ chế phát xạ sóng hài” chúng tôi sẽ tập trung

trình bày về công cụ chính được sử dụng để khảo sát và thu nhận thông tin cấu trúc động của phân

tử. Đó chính là cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao HHG [12]. Trong phần đầu của chương này, chúng

tôi sẽ dành vài trang để giới thiệu những nét cơ bản nhất về lade. Hiện nay, có thể nói lade là một

thuật ngữ rất quen thuộc đối với nhiều người, nó đã thâm nh ập vào rất nhiều lĩnh vực trong cuộc

sống, do đó chúng tôi sẽ không đề cập nhiều đến những ứng dụng của nó mà thay vào đó sẽ đề cập

đến một hướng phát triển mới – lade xung cực ngắn. Quá trình rút ngắn chiều dài xung lade sẽ được

chúng tôi đề cập theo tiến trình thời gian. Kể từ khi thiết bị lade đầu tiên được chế tạo, công nghệ

lade ngày càng có những tiến triển mang tính chất đột phá. Cường độ lade được tăng lên nhiều lần,

song song đó độ dài xung lade được giảm đáng kể. Trong năm 1990, Zewail et al [13] đã tạo ra

xung lade vào cỡ femto giây, đánh dấu sự ra đời của một lĩnh vực mới gọi là hóa học thang thời

gian femto giây (Femtochemistry). Những nỗ lực rút ngắn độ dài của xung lade vẫn tiếp diễn. Trong

những năm gần đây, cuộc chạy đua rút ngắn độ dài của xung lade đã có những đích đến mới, đột

phá và ấn tượng bằng công trình của các nhóm nghiên cứu trên thế giới khi tạo ra được xung lade ở

cấp độ atto giây, mở ra một ngành khoa học thang thời gian atto giây (“Attosecond Science”). Khoa

học thang thời gian atto giây đã mở ra những hướng đi mới đầy tiềm năng cho nhiều ngành khoa

học khác nhau, không chỉ là hóa học hay vật lý học. Đó chính là một tia sáng hứa hẹn những thay

đổi của con người trong sự hiểu biết về thế giới vật chất. Chính sự phát triển của các lade xung cực

ngắn đã thực sự tạo điều kiện cho các nhà nghiên cứu tìm hiểu sâu hơn về sự tương tác giữa nguyên

tử, phân tử với các lade xung cực ngắn có cường độ mạnh. Trong đó, có hiện tượng phát xạ HHG là

công cụ chính trong luận văn này. Do đó, nội dung thứ hai của chương này sẽ trình bày về sự tương

tác giữa trường lade và nguyên tử, phân tử. Đây là sự tương tác phi tuyến, nghĩa là nguyên tử sẽ

phản ứng khác nhau đối với cường độ trường lade khác nhau, mở ra một ngành quang học mới gọi

là quang học phi tuyến. Khi trường lade yếu so với trường Coulomb trong nguyên tử thì lade chỉ

“khuấy nhiễu” nhẹ trạng thái của nguyên tử và sự ion hóa chỉ có thể xảy ra theo cơ chế đa photon,

nghĩa là nguyên tử hấp thụ liên tiếp nhiều photon để chuyển lên trạng thái kích thích. Khi trường

lade tương đối mạnh so với trường Coulomb thì sự ion hóa sẽ xảy ra theo cơ chế xuyên hầm, tức là

electron có xác suất xuyên hầm qua rào thế tạo bởi trường Coulomb của nguyên tử và trường lade

để đi ra vùng phổ liên tục. Còn trong trư ờng hợp trường lade rất mạnh so với trường Coulomb thì

đỉnh của rào thế trở nên thấp hơn so với thế năng của electron, do đó electron có thể vượt rào thế đi

vào vùng liên tục, đó chính là sự ion hóa vượt rào. Để đặc trưng cho sự tương tác giữa lade với

nguyên tử, chúng tôi sẽ trình bày về một hệ số quan trọng được phát triển bởi Viện sĩ Keldysh: hệ số

Keldysh. Như vậy khi trường lade tương đối mạnh đối với trường Coulomb của nguyên tử thì

electron có thể thoát ra ngoài miền liên tục theo cơ chế xuyên hầm, và một trong những hiện tượng

rất đặc biệt đã xảy ra đó là sự phát xạ HHG công cụ chính để thực hiện nghiên cứu trong luận văn.

Phần tiếp theo của chương 2 sẽ cung cấp cho người đọc những kiến thức cần thiết về cơ chế phát xạ

HHG. Được phát hiện lần đầu tiên bởi nhà nghiên cứu M.Ferray (Pháp) vào năm 1988, từ đó HHG

đã trở thành một điểm sáng thu hút sự quan tâm để tìm kiếm một lý thuyết phù hợp cho việc giải

thích các đặc tính của nó. Ban đầu, HHG được nghiên cứu là một trong những cơ chế để tạo ra xung

ánh sáng siêu ngắn cấp độ atto giây. Cùng với trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã nhận

thấy rằng khi bắn lade cường độ mạnh vào phân tử thì cường độ HHG phát ra sẽ phụ thuộc vào góc

định phương phân tử đó [14]. Mặt khác, HHG phát ra ngay tại thời điểm electron tái kết hợp với ion

mẹ, sau khi nó được xuyên hầm ra vùng liên tục, chịu tác dụng của trường lade và chuyển động

ngược trở lại. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã cho rằng HHG thu được mang thông tin cấu trúc phân

tử. Từ đó HHG được xem là một công cụ trong việc quan sát cấu trúc và quá trình biến đổi của các

phân tử, cụ thể trong luận văn là cấu trúc và quá trình biến đổi của phân tử thymine. Trong phần

này, chúng tôi sẽ nhấn mạnh trình bày về mô hình tính toán ba bước bán cổ điển được xây dựng bởi

Lewenstein (do đó mô hình còn được gọi là mô hình Lewenstein) [10]. Cho đến hiện nay, có thể nói

rằng đây chính là một mô hình “đ ẹp” trong việc giải thích cơ chế cũng như những đặc tính của sự

phát xạ HHG.

Trong chương 3 “Mô hình tính toán và mô hình thí nghiệm” chúng tôi giới thiệu đến người

đọc đôi nét khái niệm về một mô hình tính toán, và chương trình AT -code thiết lập trên ngôn ngữ

FORTRAN được sử dụng trong luận văn. Không những vậy trong chương 3 chúng tôi cũng trình

bày mô hình thí nghiệm để thực hiện được quá trình tính toán HHG đ ể định hướng cho quá trình

thực nghiệm về sau.

Trong chương 4 “ Kết quả” chúng tôi trình bày về các kết quả tính toán được, đồng thời rút

ra nhận xét đối với từng kết quả nhận được. Trong phần đầu của chương chúng tôi dùng Gaussian

mô phỏng hai đồng phân và cấu trúc chuyển tiếp của phân tử thymine. Với mô hình tính toán đư ợc

sử dụng là phương pháp phiếm hàm mật độ DFT hiệu chỉnh Gradient B3LYP và hệ hàm cơ sở 6-

31G+(d,p), chúng tôi đã mô phỏng cấu trúc tối ưu của phân tử sau đó so sánh với số liệu thực

nghiệm [30]. Kết quả tính toán của chúng tôi có độ tin cậy cao (sai số tỉ đối <3%) do đó có thể sử

dụng số liệu đã có cũng như mô hình tính toán đã thiết lập cho các phép tính toán tiếp theo. Sau đó

cũng với mô hình tính toán này, chúng tôi đã mô phỏng thành công HOMO của phân tử thymine. Sử

dụng chương trình AT-code viết bằng ngôn ngữ Fortran dựa trên mô hình ba bước Lewenstein để

tính các số liệu HHG phát xạ ra khi hai tautomer và trạng thái chuyển tiếp của thymine tương tác

với lade xung cực ngắn. Chúng tôi tiến hành phân tích số liệu HHG bằng đồ thị để nhận xét về sự

khác biệt giữa ba trạng thái cân bằng của phân tử. Tiếp theo chúng tôi mô phỏng quá trình đ ồng

phân hóa của thymine chuyển từ trạng thái enol sang keto. Để thực hiện được mục tiêu chúng tôi

cần khảo sát mặt thế năng của phân tử thymine cũng như phải mô phỏng được đường phản ứng hóa

học trong quá trình chuyển đồng phân này. Chúng tôi cũng tính được năng lượng tương quan của

quá trình tautomer hóa của thymine là 0.62eV. Sau đó chúng tôi thực hiện tính toán cường độ HHG

phát ra khi chiếu lade vào cả quá trình đồng phân hóa phân tử thymine. Khảo sát sự phụ thuộc của

cường độ HHG vào góc định phương và góc cấu trúc bằng đồ thị, chúng tôi nhận thấy có thể theo

dõi được quá trình tautomer hóa của thymine.

Chương 1 Cơ sở lý thuyết về ADN

Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày một cách tổng quan cơ sở lý thuyết về ADN, về

thành phần cấu trúc, các chức năng, quá trình t ự nhân đôi để duy trì vật chất di truyền cho thế hệ

sau. Đặc biệt điều chúng tôi quan tâm nhất đó chính là quá trình đ ột biến mà cụ thể ở đây chính là

quá trình đột biến có nguyên nhân do các bazơ nitơ tồn tại ở tautomer kém bền dẫn đến sự bắt cặp

sai và gây nên quá trình đột biến.

1.1 Thành phần và cấu trúc của ADN

Axit Deoxyribonucleic (ADN) – một trong hai loại của axit nucleic được nhà khoa học

F.Miescher phát hiện vào năm 1869 – là cơ sở vật chất di truyền ở cấp độ phân tử.

1.1.1 Thành phần

ADN là đại phân tử mà các đơn phân là deoxyribonucleotide. Mỗi đơn phân gồm ba thành

phần cơ bản: bazơ nitơ; đường pentose và nhóm phosphate. Các đơn phân này chỉ khác nhau về loại

bazơ nitơ, còn giống nhau về cấu trúc đường pentose và nhóm phosphate.

 Bazơ nitơ: là các dẫn xuất hoặc của pyrimidine, gồm cytosine (C), thymine (T) và uracil (U) –

không có ở ADN; hoặc của purine, gồm adenine (A) và guanine (G).

 Pentose: có hai loại pentose tham gia vào cấu tạo của nucleotide là ribose và deoxyribose. Các

nguyên tử carbon của pentose được quy ước đánh số có dấu phẩy để tránh nhầm lẫn với các số

trong bazơ nitơ

 Acid Phosphoric: là một tri acid, hai trong số ba chức acid được este hóa trong phân tử ADN

và ARN.

Hình 1.1: Các thành phần của ADN

Hình 1.2: Các bazơ nitơ của ADN

Mỗi loại bazơ nitơ có 2 tautomer: một dạng phổ biến và một dạng hiếm gặp. Cụ thể, đối 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.

Hình 1.3: Các bazơ nitơ và các tautomer tương ứng

ADN được tạo thành bởi hai chuỗi xoắn kép liên kết với nhau bởi liên kết hydro, mỗi sợi đơn

là một chuỗi polynucleotide gồm nhiều các nucleotide nối với nhau bằng liên kết phosphodieste.

 Nucleoside là cấu trúc chỉ gồm bazơ nitơ với đường pentose. Các bazơ nitơ gắn với đường

pentose bằng liên kết cộng hóa trị ở vị trí C-1' của đường với nitơ ở vị trí số 9 của purine

hoặc ở vị trí nitơ số 1 của pyrimidine.

 Nucleotide là sản phẩm gắn phosphat của nucleoside. Liên kết giữa pentose và acid

phosphoric là liên kết este do loại một phân tử nước giữa OH của acid và H của alcol (ở vị trí

5’ của pentose)

 Chuỗi polynucleotide là chuỗi các nucleotide nằm liền kề nối với nhau thành một mạch dài,

qua liên kết phosphodieste giữa nhóm hydroxyl ở đầu C-5' của đường pentose của nucleotide

này với nhóm phosphate tại đầu C-3' của nucleotide nằm vị trí kế tiếp. Mỗi mạch

polynucleotide của phân tử axit nucleic mang tính phân cực: một đầu C-5' mang nhóm

phosphate (hoặc đôi khi là hydroxyl) còn đầu kia C-3' luôn mang nhóm hydroxyl.

Hình 1.4: Chuỗi polynucleotide của ADN

Tóm lại thành phần và cấu tạo của ADN được biễu diễn bằng sơ đồ sau:

Hình 1.5: Sơ đồ thành phần và cấu tạo của ADN

1.1.2 Cấu trúc

Năm 1953, James Waston (nhà Sinh vật học người Mỹ) và Francis Crick (nhà Vật lý ngư ời

Anh) đã công bố mô hình cấu trúc phân tử axit nucleic. Đây cũng chính là mô hình cấu trúc ADN ở

trạng thái hoạt động phổ biến nhất.

Mỗi phân tử ADN sợi kép gồm hai mạch đơn polynucleotide ngược chiều nhau, bazơ purine

của sợi này nằm đối diện với bazơ pyrimidine của sợ kia theo quy luật bổ sung nghiêm ngặt: A liên

kết với T bằng hai liên kết hidro, G liên kết với C bằng ba liên kết hidro. Nguyên tắc liên kết này

còn gọi là nguyên tắc bổ sung hay nguyên tắc Charaff (do Erwin Charaff phát hiện đầu tiên năm

1950).

Hình 1.6: Phân tử ADN sợi kép

Để có cấu trúc hai mạch polynucleotide liên kết bổ sung với nhau suốt dọc chiều dài phân tử

ADN, các nucleotide của một mạch phải quay 180 độ so với các nucleotide của mạch đối diện. Đặc điểm quay như vậy là cần thiết để có thể hình thành các liên kết hydro1. Vì lý do này mà cấu trúc

ADN gồm một mạch chạy theo chiều 5' → 3', còn mạch kia chạy theo chiều ngược lại là 3' → 5',

1 Liên kết hydro các tính định hướng và trở nên mạnh nhất khi nguyên tử hydro cho liên kết ở vị trí đối diện trực tiếp với

nguyên tử nhận liên kết hydro. Nếu góc liên kết vượt quá 30 độ thì lực liên kết sẽ yếu đi nhiều.

gọi là cấu trúc song song ngược chiều hay đối song song.

Hình 1.7: Cấu trúc song song ngược chiều hay đối song song của ADN.

Đây là cấu trúc phổ biến nhất, gọi là dạng B – dạng được Waston và Crick mô tả. Tùy thuộc

vào yếu tố môi trường xung quanh như độ pH, độ ẩm, hàm lượng muối, tính ưa nước mà phân tử

ADN sợi kép có thể xuất hiện các cấu hình không gian khác như A, Z...

Hai mạch đơn của phân tử ADN sợi kép xoắn xung quanh nhau về phía phải. Cấu trúc xoắn

đều đặn như vậy tạo ra hai loại khe: khe chính và khe phụ (khe chính rộng hơn khe phụ). Mỗi vòng

xoắn gồm 10 bazơ nitơ có chiều dài 3.4 nm.

1.2 Chức năng sinh học của ADN

Ở phần lớn các loài sinh vật (trừ một số virus) ADN có chức năng là vật chất mang thông tin

di truyền, nên ADN có các đặc tính cơ bản:

 Có khả năng lưu giữ thông tin ở dạng bền vững cần cho việc cấu tạo, sinh sản và hoạt động

của tế bào.

 Có khả năng sao chép chính xác để thông tin di truyền có thể được truyền từ thế hệ này sang

thế hệ kế tiếp thông qua quá trình phân bào hay quá trình sinh sản.

 Thông tin chứa đựng trong vật chất di truyền phải được dùng tạo ra các phân tử cần cho cấu

tạo và hoạt động của tế bào.Vật liệu di truyền có khả năng biến đổi nhưng những thay đổi

(đột biến) chỉ xảy ra ở tần số thấp.

1.3 Quá trình tự nhân đôi ADN

Quá trình tự nhân đôi ADN hay tổng hợp ADN là một cơ chế sao chép các phân tử ADN

xoắn kép trước mỗi lần phân bào tạo ra hai phân tử ADN con gần như giống nhau hoàn toàn (chỉ sai

khác với tần số rất thấp, thông thường dưới một phần vạn) một mạch cũ có nguồn gốc từ phân tử

ADN gốc (gọi là mạch khuôn) và một mạch được tổng hợp mới. Đó là nguyên tắc bán bảo toàn.

Trong quá trình tổng hợp mạch mới, môi trường nội bào phải cung cấp đầy đủ các loại nucleotide

khác nhau để tạo liên kết với các nucleotide của mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung.

Hình 1.8: Mô tả quá trình tổng hợp ADN

Trong quá trình tổng hợp ADN, nếu có những sai sót xảy ra thì thông tin di truyền sẽ bị thay

đổi, dẫn đến hậu quả là gây đột biến ở những thế hệ sau.

1.4 Đột biến

Đột biến là những thay đổi trong vật chất di truyền duy trì qua các thế hệ. Có hai loại đột

biến trong cơ thể sinh vật: đột biến tự phát và đột biến nhân tạo.

Đột biến tự phát là những đột biến mà tác nhân gây đột biến thường không cụ thể, có thể là

do các sai hỏng trong quá trình trao đổi chất trong cơ thể gây nên hoặc do những tác nhân không xác

định từ môi trường. Nhìn chung đ ột biến này xảy ra với một tần số rất thấp, do tế bào có hệ thống

tìm kiếm và sửa chữa các sai hỏng ADN hoạt động hiệu quả.

Đột biến nhân tạo là đột biến xuất hiện khi tế bào cơ thể sinh vật được xử lý với các tác

nhân lý hoặc hóa khác nhau như: tia cực tím, bức xạ ion và nhiều hóa chất khác... làm cho cấu trúc

và trình tự các nucleotide trong phân tử ADN bị thay đổi.

Đột biến nhìn chung là có hại và thường ở trạng thái lặn. Tuy nhiên cũng có những đột biến

có ý nghĩa quan tr ọng trong sự tiến hóa, vì đột biến chính là nguyên liệu sơ cấp của tiến hóa. Nếu

không có đột biến thì mọi gen đều tồn tại ở một trạng thái duy nhất, không thể tiến hóa để thích nghi

với điều kiện thay đổi của môi trường.

1.4.1 Đột biến do tác nhân hóa học

Ngày nay con người đã phát hiện ra nhiều các hợp chất có khả năng gây đột biến, giúp chúng

ta hiểu hơn về cơ chế đột biến ở cấp độ phân tử. Các tác nhân gây đột biến hóa học có thể phân

thành hai nhóm chính: nhóm tác động đến ADN đang sao chép hay không sao chép, bao gồm các

hợp chất alkyl hóa và axit nitơ; nhóm tác động đến các ADN đang sao chép, bao gồm các hợp chất

có cấu trúc gần giống purine và pyrimidine (gọi là các hợp chất thế bazơ nitơ) và cả thuốc nhuộm

acridine.

… sang  Các hợp chất alkyl hóa: là các chất có khả năng chuyển các nhóm -CH3 hoặc -C2H5

các bazơ nitơ của ADN.

 Axit nitơ: là một chất gây đột biến mạnh tác động lên phân tử ADN bất kể có đang sao chép

) bị loại ra khỏi A, G, hay không. Nó là một chất oxy hóa mạnh, làm cho nhóm amin (-NH

và C. Phản ứng này làm dạng amino chuyển hóa thành keto và làm thay đổi khả năng liên kết

hydro của các bazơ nitơ. Adenine sau khi mất nhóm amin thì chuyển thành hypoxanthine có

xu hướng liên kết với cytosine, còn cytosine thì chuyển thành uracil (một bazơ nitơ thuộc

dạng purine nhưng bình thư ờng chỉ có mặt trong phân từ ARN) sẽ liên kết với adenine thay

vì với guanine. Guanine thì chuyển thành xanthine nhưng xanthine thì v ẫn liên kết với

cytosine (nên loại nhóm amin của guanine không gây đột biến).

 Các hợp chất thế bazơ nitơ: do có cấu trúc giống các bazơ nitơ nên có thể cài vào chuỗi

polynucleotide đang tổng hợp. Nhưng đồng thời chúng gây sự kết cặp sai trong quá trình sao

chép.

 Các thuốc nhuộm acridine: như proflavine hay các dẫn xuất acridine khác, là các hợp chất

gây đột biến mạnh theo kiểu đột biến dịch khung.

Ngoài ra còn có đột biến do các tác nhân vật lý (như tia cực tím, tia X, tia gamma, các tia vũ

trụ năng lượng cao...) hay do các yếu tố di truyền vận động (gen nhảy) hay sự tạo lại các bộ ba

nucleotide và các bệnh di truyền...

1.4.2 Đột biến do lỗi sao chép ADN

Như phần trước đã trình bày , trong phân tử ADN, các bazơ nitơ tồn tại dưới hai dạng

tautomer (bền và kém bền). Thông thường các bazơ nitơ sẽ tồn tại ở dạng tautomer tự nhiên bền

(keto đối với pyrimidine và amino đối với purine). Tuy nhiên dưới một số điều kiện nào đó, các

bazơ nitơ vẫn có khả năng chuyển sang dạng tautomer kém bền hơn. Quá trình đó được gọi là sự hỗ

biến hóa học (tautomerism).

Hình 1.9: Các dạng hỗ biến của các bazơ nitơ trong ADN.

(A) Các dạng amino có thể biến đổi thành các dạng imino.

(B) Các dạng keto có thể sắp xếp lại thành các dạng enol.

Các mũi tên biểu thị sự dịch chuyển vị trí nguyên tử hidro.

Các dạng hiếm gặp của các purine hay pyrimidine dù có thời gian tồn tại rất ngắn nhưng nếu

trong thời gian tồn tại đó, chúng được huy động vào quá trình tổng hợp ADN thì đột biến sẽ xảy ra.

Các cặp bazơ nitơ được hình thành là A và C (bằng hai liên kết hydro); G và T (bằng ba liên kết

hydro). Hậu quả là sau hai lần sao chép thì cặp A và T thành G và C, cặp G và C thành cặp A và T.

Các đột biến do hiện tượng hỗ biến hóa học gây ra làm thay thế cặp purine - pyrimidine này bằng

một cặp purine – pyrimidine khác được gọi là đột biến đồng hoán. Còn đột biến thay thế một purine

thành một pyrimidine hoặc ngược lại thì được gọi là đột biến dị hoán.

Hình 1.10: Sự sai hỏng trong 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

Ngoài ra còn có đ ột biến dịch khung, nghĩa là m ột số cặp bazơ nitơ được thêm vào hay mất

đi không phải là bội số của ba và nằm trong khung đọc của gen làm thay đổi khung đọc của tất cả

các bộ ba mã hóa còn lại trong gen nằm xuôi dòng kể từ vị trí đột biến. Và các dạng này đều là do

đột biến tự phát. Một điều đáng ngạc nhiên là, đa số các đột biến tự phát đã đư ợc nghiên cứu đều

thuộc dạng đột biến thêm hoặc mất một cặp nucleotide chứ không phải là các đột biến thay thế

nucleotide.

Như vậy trong thời gian tồn tại ở dạng hiếm gặp nếu như các bazơ nitơ này được huy động

vào quá trình tổng hợp ADN thì đột biến sẽ xảy ra, do đó theo dõi được quá trình này là một vấn đề

có tính thực tiễn cao. Để thực hiện mục tiêu này cơ chế phát xạ HHG được sử dụng, do đó hiểu

được chơ chế phát xạ HHG là một điều hết sức cần thiết.

Chương 2 Tổng quan về lade và cơ chế phát xạ sóng hài

Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày một cách khái quát cụ thể quá trình hình thành và

phát triển của lade cũng như các tính chất nguyên lý hoạt động của nó. Tiếp theo đó, chúng tôi trình

bày về lý thuyết phát xạ HHG: các công thức, các hằng số đặc biệt là giải thích về mô hình ba bước

bán cổ điển Lewenstein được sử dụng cho quá trình tính toán phổ HHG.

2.1 Lý thuyết về lade

2.1.1 Sơ lược về lade

LASER là viết tắt của cụm từ tiếng Anh Light Amplification by Stimulated Emission of

Radiation, nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức. Bức xạ cưỡng bức được đề cập

đến ở đây chính là bức xạ cảm ứng, là hiện tượng kích thích cho nguyên tử phát xạ photon do sự

dịch chuyển của nguyên tử từ trạng thái kích thích sang trạng thái năng lượng thấp hơn bằng cách

chiếu vào nguyên tử đó photon kích thích có năng lượng phù hợp. Trong trường hợp này, từ một

photon kích thích sẽ bức xạ ra hai photon: một photon do sự phát xạ của nguyên tử và photon còn

lại chính là photon kích thích ban đầu, nó không bị hấp thụ mà thoát ra khỏi nguyên tử. Hai photon

này hoàn toàn đồng nhất nhau, nghĩa cùng năng lượng, cùng phương, cùng hướng, cùng pha, cùng

độ phân cực. Đây cũng chính là nguồn gốc làm cho lade có những tính chất đặc biệt và trở thành

một công cụ đắc lực trong khoa học.

Albert Einstein là người đã tình c ờ đặt nền móng đầu tiên cho sự ra đời của lade khi ông

nhận ra rằng trong sự tương tác giữa ánh sáng với vật chất sự phát xạ không chỉ xảy ra một cách

ngẫu nhiên mà còn có thể xảy ra có định hướng do tác động của yếu tố bên ngoài. Trong bài báo

Zur Quantentheorie der Strahlung công bố năm 1917, ông đã đ ề xuất sự tồn tại của bức xạ cảm

ứng. Khi đó, Einstein đã nghĩ rằng phát hiện của ông hoàn toàn là một ý tưởng khoa học, một điều

thú vị của tự nhiên chứ không thể có một ứng dụng thực tiễn nào, bởi theo ông không thể nào có

được một môi trường mà các nguyên tử đã bị kích thích có thể được duy trì, vì chúng có tuổi thọ rất

ngắn chỉ vài phần triệu giây.

Những điều tình cờ, thú vị, và bất ngờ luôn là yếu tố mang lại màu sắc độc đáo cho khoa học.

Có lẽ Einstein cũng đã không thể ngờ rằng chính phát kiến của ông lại là cơ sở cho sự ra đời của

một thiết bị đầy “quyền năng” mà trong cuộc sống hiện nay không thể thiếu, đó chính là kĩ thu ật

khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức – lade. Tuy vậy, con đường dẫn đến sự ra đời của thiết

bị này là cả một quá trình nghiên cứu và đóng góp của nhiều nhà khoa học trên thế giới.

Năm 1953, Townes, Gordon và Zeiger công bố một thiết bị mà Townes gọi là MASER,

nghĩa là sự khuếch đại sóng vô tuyến do bức xạ cưỡng bức và đăng ký b ản quyền sáng chế tại ĐH

Columbia. Sau đó 5 năm, năm 1958 có thể coi là năm đánh dấu việc phát minh ra lade, với sự ra mắt

của bài báo khoa học có tiêu đề “Các maser quang học và hồng ngoại” của Arthur L. Schawlow –

khi đó là một nhà nghiên cứu của phòng thí nghiệm Bell, và Charles H. Townes – khi đó là một cố

vấn của phòng thí nghiệm Bell, được đăng trên tạp chí Physical Review của Hội Vật lý Mỹ. Bài báo

được đăng trên tạp chí Physical Review số tháng 12/1958, khẳng định rằng nguyên lý của maser có

thể được mở rộng cho những vùng khác của quang phổ, và gọi thiết bị đó là LASER, dù cho họ vẫn

chưa chế tạo được một lade thực sự.

Dựa theo ấn bản của Townes và Schawlow năm 1958, Theodore Maiman, trong lúc đang làm

việc tại trung tâm nghiên cứu Hughes, đã tạo ra thiết bị tạo ra lade đầu tiên trên thế giới – lade ruby.

Theodore Maiman công bố kết quả đạt được này tại buổi họp báo tại New York City vào tháng

7, 1960, và bị báo chí cho rằng đây là sáng chế của "tia tử thần". Tuy nhiên, sau những kết quả mà

lade mang lại, Maiman đã cho th ấy đây chính là nguồn “ánh sáng kì diệu” mở ra những ứng dụng

thật sự mới mẻ trong khoa học. Ông cũng gi ới thiệu khái niệm lade hoạt động dạng xung – pulsed

lade operation (cho đến thời điểm đó người ta chỉ tập trung vào xung liên tục – continuous wave),

khả năng cung cấp mức năng lượng lớn trong một thời gian phát xung rất ngắn, mở ra một tiềm

năng to lớn về các ứng dụng trong lĩnh vực quang học phi tuyến tính.

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của lade

Lade là một thiết bị dùng để tạo ra một chùm ánh sáng cực mạnh. Nó kích thích các nguyên

tử để chúng phát ra ánh sáng theo một cách thức rất đặc biệt.

Một lade gồm có ba bộ phận chính:

 Môi trường hoạt tính: là một khối chất khí, lỏng hoặc một thỏi chất rắn (gọi chung là hoạt

chất). Nó là chất liệu để tạo ra ánh sáng lade.

 Nguồn năng lượng phát xạ mạnh: còn gọi là nguồn bơm – thường là một đèn ống quấn quanh

hoạt chất để “bơm” năng lượng vào hoạt chất, nhằm tạo ra một môi trường nghịch đảo nồng

độ.

 Buồng cộng hưởng: là một hệ gương đặt ở hai đầu khối hoạt chất để tạo liên kết phản hồi

dương trong dãy tần số khả kiến.

Hình 2.1: Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của lade

(1): Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích)

(2): Nguồn năng lượng phát xạ mạnh

(3): Gương phản xạ toàn phần

(4): Gương bán mạ

(5): Tia lade

2.1.3 Tính chất của lade

Độ định hướng cao: tia lade phát ra hầu như là chùm song song do đó khả năng chiếu xa

hàng nghìn km mà không bị phân tán.

Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Do vậy

chùm lade không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai mô i trường có chiết suất khác nhau.

Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có.

Tính đồng bộ: các photon trong chùm tia lade luôn cùng pha.

Có khả năng phát xung cực ngắn : cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây,... cho phép tập

trung năng lượng tia lade cực lớn trong thời gian cực ngắn.

Nhờ các tính chất đặc biệt này, ánh sáng lade trở thành một công cụ thiết yếu trong các

ngành khoa học, đặc biệt hiện nay là ngành khoa học nghiên cứu về thế giới vi mô.

2.1.4 Các chế độ hoạt động của lade

Lade có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục (hay CW -

continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation). Điều này dẫn đến những khác biệt cơ bản khi

xây dựng hệ lade cho những ứng dụng khác nhau.

 Chế độ phát liên tục: trong chế độ phát liên tục, công suất của một lade tương đối không đổi

so với thời gian. Sự đảo nghịch mật độ cần thiết cho hoạt động lade được duy trì liên tục bởi

nguồn bơm năng lượng đều đặn.

 Chế độ phát xung: trong chế độ phát xung, công suất lade luôn thay đổi so với thời gian, với

đặc trưng là các giai đoạn “đóng” và “ngắt” cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể

trong một thời gian ngắn nhất có thể. Với lade ở chế độ phát xung, cường độ của lade tuy

thay đổi theo thời gian, nhưng lại có thể đạt đến giá trị công suất lớn và vì vậy hiệu quả của

việc sử dụng xung lade sẽ cao hơn.

Hình 2.2: Lade hoạt động theo chế độ phát xung.

2.1.5 Sự phát triển của lade xung siêu ngắn

Lade ra đời hoạt động theo cơ chế phát xung đã thực sự trở thành một công cụ hữu hiệu mở

ra cơ hội mới cũng như thách thức mới trong lĩnh vực thu nhận thông tin cấu trúc động của nguyên

tử, phân tử. Từ đó, công cuộc rút ngắn xung lade đã trở thành một yêu cầu bức thiết đối với các nhà

nghiên cứu. Sau 4 năm kể từ lần đầu tiên ra đời, xung lade đã ở đạt mức cỡ pico giây, đến năm

1990, Zewail et al [13] đã tạo ra xung lade ngắn vào cỡ femto giây. Điều này có ý nghĩa rất quan

trọng, bởi lẽ femto giây chính là cấp thời gian của nguyên tử; là một chu kì của sóng ánh sáng khả

kiến; là cấp thời gian của các phản ứng hóa học... Thành công trong việc xây dựng xung lade femto

giây đã mở ra một lĩnh vực mới gọi là hóa học thang thời gian femto giây (Femtochemistry).

Ngưỡng xung lade femto giây tưởng chừng như là một bức tường vững chắc trong cuộc chạy đua

“xung siêu ngắn”, song trong vài năm trở lại đây, mục tiêu của nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới

là phải phá vỡ bức tường này, tức phải rút ngắn xung lade xuống ở mức atto giây – thang thời gian

chuyển động của electron. Và mục tiêu đó thực sự không hề xa vời, bởi trong vòng hai thập niên trở

lại đây, một số nhà nghiên cứu trên thế giới đã có những đột phá khi tạo ra được các xung lade ở

mức atto giây. Năm 2006, nhóm nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Ý đã ch ế tạo thành

công lade có độ dài xung 130 atto giây. Gần đây nhất, vào tháng 8 năm 2008, xung lade 80 as đã

được chế tạo trong phòng thí nghiệm Max-Planck (Đức) và Lawrence Berkeley (Mỹ). Từ đó, một

lĩnh vực mới đã ra đời có tên gọi là hhoa học thang thời gian atto giây (Attosecond science).

Attosecond science đã làm bùng nổ Vật lý và H óa học đến một mức độ không ngờ. Xung atto giây

mở ra hướng mới nghiên cứu những lĩnh vực liên quan thang thời gian siêu ngắn. Một khả năng hứa

hẹn những thay đổi trong hiểu biết về vật chất. Cả Science và Nature, hai trong số các tạp chí khoa

học tên tuổi trên thế giới đã nêu sự phát triển của xung atto giây là một trong mười thuận lợi quan

trọng nhất trong tất cả các ngành khoa học vào năm 2002.

Hình 2.3: Quá trình rút ngắn chiều dài xung lade theo thời gian

Hiện nay, để chế tạo ra xung lade atto giây, có hai cơ chế khả thi để thực hiện, đó là sự phát

xạ HHG và sự tán xạ Raman kích thích từng đợt (Cascaded Stimulated Raman Scattering – CSRS).

Trong luận văn này chúng tôi sẽ trình bày về cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao khi cho lade xung cực

ngắn, cường độ mạnh tương tác với phân tử, nguyên tử. Đây là một phương pháp để tạo nguồn ánh

sáng xung siêu ngắn trong vùng XUV (Extreme urtraviolet) và vùng tia X mềm (Soft X -rays). Tuy

nhiên chính sự ra đời của sóng hài bậc cao đã man g lại cho khoa học những con đường khám phá

mới mẻ về thế giới vi mô ở cấp nguyên tử, phân tử.

Hình 2.4: Các vùng phổ ánh sáng

2.2 Tương tác giữa trường lade với nguyên tử, phân tử

Khoa học nghiên cứu về lĩnh vực tương tác ánh sáng - vật chất đã phát triển từ lâu, một trong

những nghiên cứu cổ điển là tác phẩm “Photon – Atom Interactions” của Wessbluth. Nội dung chủ

yếu của quyển sách là sự tương tác của nguyên tử với các trường ánh sáng yếu, sự tương tác này gây

ra sự hấp thụ hoặc phát xạ của một vài lượng tử. Hiện nay với việc tạo ra được những xung lade

ngắn có cường độ mạnh, một loạt các hiện tượng mới lạ đã xảy ra khi cho lade tương tác nguyên tử,

phân tử. Điều này đã kích thích sự khám phá của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới. Trong số các

hiện tượng đó ta chú ý đến hai hiện tượng:

 Sự ion hóa vượt rào (above-threshold, abve-barrier ionization) (Corkum et al., 1989)

 Sự phát xạ HHG [12]

Ngành quang học nghiên cứu về sự tương tác giữa trường lade mạnh với vật chất được gọi là

ngành quang học phi tuyến (nonlinear optics).

2.2.1 Giới thiệu về quang học phi tuyến

Quang học nghiên cứu về những nguồn sáng thông thường (không phải là nguồn lade) được

V/cm). Khi bức xạ truyền qua một môi trường vật chất, thì vectơ phân gọi là quang học tuyến tính. Đối với những nguồn sáng thông thường, cường độ điện trường của ánh sáng phát ra tương đối yếu (kho ảng 103 V/cm) so với cường độ điện trường trong phân tử, nguyên tử (khoảng 107 V/cm đến 109

cực điện là một hàm tuyến tính theo vectơ điện trường E của bức xạ truyền qua. Các tính chất

quang học của môi trường sẽ phụ thuộc vào tần số bức xạ truyền qua mà không bị ảnh hưởng bởi

cường độ điện trường của bức xạ.

Tuy nhiên từ khi lade ra đời , bức xạ lade được tạo ra ngày càng có cường độ mạnh hơn.

V/cm) xấp xỉ hoặc mạnh hơn so với trường Cường độ điện trường của lade (từ 105 V/cm đến 10 9

Coulomb trong nguyên tử. Chính vì vậy, sự tương tác của trường lade với phân tử, nguyên tử sẽ

chịu sự ảnh hưởng bởi cường độ điện trường của bức xạ lade. Lúc này vectơ phân cực của môi

trường có sự ảnh hưởng của trường lade sẽ không biến thiên tuyến tính theo cường độ điện trường,

mà sẽ là một ma trận. Khi này, sự tương tác của trường lade với vật chất sẽ xảy ra những hiệu ứng

quang học mới, và dẫn đến sự ra đời của một ngành quang học mới, đó là ngành quang học phi

tuyến tính. Danh từ này bắt nguồn từ biểu thức phi tuyến giữa vectơ phân cực điện và vectơ điện

trường E .

2.2.2 Tương tác giữa trường lade và nguyên tử

ườ ợ ườ ế ớ ườ ườ ợ ễ ạ

2.2.2.1 Khi trường lade tương đối yếu hơn so với trường Coulomb trong nguyên tử thì nó chỉ có tác Tr ng Coulomb (tr ng lade y u so v p nhi ng h ng h u lo p tr i tr n)

dụng làm nhiễu loạn trường Coulomb trong nguyên tử đó, gây ra sự dao động của các electron. Các

electron lúc này sẽ không chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác mà chỉ dao động quanh vị trí

ban đầu của nó, hay nói cách khác trường lade đã “khuấy động” trạng thái của electron trong

nguyên tử. Các mức năng lượng trong nguyên tử chỉ bị dịch chuyển nhẹ với độ dịch chuyển tỉ lệ với

aE ) gọi là sự dịch chuyển Stark (ac Stark shift).

bình phương biên độ cường độ điện trường lade (

Lúc này hiệu ứng phi tuyến có thể xét như hiệu ứng nhiễu loạn, và các nhà khoa học đã sử dụng l ý

thuyết nhiễu loạn để giải quyết bài toán tương tác trong vùng này. Do đó, vùng này được gọi là

vùng nhiễu loạn (perturbative regime) của quang học phi tuyến.

Trong vùng nhiễu loạn này hiện tượng ion hóa có thể xảy ra theo cơ chế đa photon, nghĩa là

electron sẽ hấp thụ liên tiếp nhiều photon làm cho năng lượng củ a nó tăng dần đến khi lớn hơn

không. Sự ion hóa như vậy gọi là sự ion hóa đa photon. Khi cường độ lade tăng lên đến mức đủ lớn,

phép gần đúng nhiễu loạn sẽ bị vi phạm và lúc này sự tương tác giữa lade và nguyên tử, phân tử sẽ

xảy ra theo cơ chế ion hóa xuyên hầm hoặc ion hóa vượt rào.

Hình 2.5: Hiện tượng ion hóa đa photon

ườ ợ ườ ươ ươ ặ ạ ơ ườ ườ

2.2.2.2 ạ ng h p tr ng Coulomb (vùng tr ng lade t ng ho nh h ng đ n tr

ng c m Tr Khi trường lade tương đương hoặc mạnh hơn so với trường Coulomb tron g nguyên tử, phân m nh):

tử, trường lade tác dụng lên các electron lớp ngoài cùng gây ảnh hưởng đến trường thế Coulomb

trong nguyên tử. Do đó electron có thể thoát ra khỏi trạng thái của nó theo cơ chế xuyên hầm hoặc

vượt rào trước khi trường lade đổi dấu. Bó sóng electron sau đó sẽ dao động trong trường phân cực

thẳng của lade với biên độ dao động lớn hơn bán kính Bohr nhiều về độ lớn và động năng trung

bình của mỗi chu kì dao động lớn hơn năng lượng liên kết I p (thế ion hóa của điện tử). Trong vùng

này lý thuyết nhiễu loạn bị vi phạm và không thể sử dụng, ta gọi vùng này là vùng trường mạnh của

quang học phi tuyến (Strong-field regime).

Hình 2.6: Hiện tượng ion hóa xuyên hầm

Trong vùng này, ta xét 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. Một khi electron đã được giải phóng tự do

thì chuyển động của nó tuân theo các định luật của cơ học Newton. Trong phép xấp xỉ trường mạnh

SFA (Strong Field Approximation), ta xem như tác dụng từ trường của lade và tác dụng của ion mẹ

xem như không đáng kể và có thể bỏ qua. Dưới tác dụng của trường lade, thế năng của electron

  ( ). eE t r

( ) V r

( ) V r 0

ngoài cùng tại thời điểm t sẽ có dạng:

là thế năng của liên kết của electron, r là tọa độ của electron. Với V0

Trong phép gần đúng chuẩn tĩnh thì sự thay đổi của điện trường là đủ chậm để cho electron

có đủ thời gian để xuyên hầm (hoặc vượt rào) ra vùng liên tục trước khi điện trường lade đổi dấu.

Electron sau khi thoát ra khỏi trạng thái của nó trong nguyên t ử ra vùng liên tục của trường lade thì

được tăng tốc mạnh bởi trường lade. Như đã đề cập, chuyển động của electron lúc này tuân theo các

định luật cổ điển. Khi trường điện của xung lade đổi hướng thì electron cũng sẽ đổi chiều chuyển

động và dao động trong trường lade.

Ta giả sử electron bắt đầu đi vào miền liên tục với vận tốc đầu bằng 0 tại thời điểm t 0 và

sinωt, lúc trường lade phân cực tuyến tính dọc theo trục z với độ mạnh của trường điện là E(t)=E0

= −

.. m z

t eE( )

tω

eE sin 0

này, ta có thể giải ngay phương trình Newton cho electron chuyển động trong trường lade:

−

z t ( )

α ω α ω αω t (

sin(

)

) cos(

ω t

)

Nghiệm của phương trình có dạng:

eE 0 2 ω m

Với là biên độ dao động của electron trong trường lade.

Vận tốc tương ứng của electron theo hướng phân cực là:

• z t ( )

v t ( )

− αω ω αω ω t )

cos(

)

= −

αω ω cos t

(

αω

Khi đi vào miền liên tục electron có một vận tốc trôi là với biên độ

) ω

( eE m 0 /

. Từ đây chúng ta thấy rằng giá trị và hướng của vận tốc trôi phụ thuộc vào thời

). Như vậy, nếu lade có độ dài xung lớn thì sự dao động sẽ tắt đi khi vận điểm xảy ra sự ion hóa (t0

tốc của electron tại thời điểm nào đó triệt tiêu với vận tốc trôi của nó.

2 2 αω

2 [cos (

− ) 2 cos(

) cos(

2 + ) cos (

)]

ω t

1 2

Động năng của electron thu được khi dao động trong trường lade:

Từ đây, ta tính được động năng trung bình electron nhận được trong một chu kì dao động

U p =

2 2 Ee 0 2 4 ωm

được gọi là thế trọng động: .

Nếu electron bắt đầu từ một pha thích hợp với trường lade, thì quỹ đạo của nó có thể quay

ngược về hạt nhân và xảy ra sự tái kết hợp giữa electron và ion mẹ, gây ra một hiện tượng đặc biệt

đang được các nhà nghiên cứu quan tâm đó chính là sự phát xạ HHG.

2.2.3 Tương tác của nguyên tử với một xung lade

Như ta đã biết, trong một xung lade được phát ra, cường độ điện trường của ánh sáng này

không ổn định mà biến thiên theo thời gian: E (t)= E0(t)sinωt, trong đó E0(t) là biên độ cường độ

là cường độ điện trường của trường lade, cũng biến thiên theo thời gian, E 0(t)=E0sinω0t, với E 0

đỉnh của xung lade.

Hình 2.7: Cường độ điện trường biến thiên trong một xung lade

Cường độ điện trường của trường lade biến thên trong một xung độ dài τp. Khi xung lade

được chiếu đến nguyên tử, phân tử thì cường độ của trường lade sẽ tăng từ 0 đến cực đại. Do đó sự

tương tác phi tuyến sẽ diễn ra ở vùng nhiễu loạn và có thể chuyển sang vùng trường mạnh ở cường

độ lớn hơn. Như vậy với những xung lade có τp lớn, xung chứa nhiều chu kì, sự tương tác xảy ra

trong vùng nhiễu loạn chiếm tỉ lệ lớn, do khó có thể chế tạo và duy trì được một xung dài có cường

độ đủ lớn để có xác suất lớn gây ra sự ion hóa xuyên hầm hay vượt rào. Còn với xung lade ngắn, có

nhỏ, chứa vài chu kì, cường độ trường lade được tạo ra sẽ lớn hơn và khi đó sự tương tác trong τp

vùng nhiễu loạn sẽ không đáng kể và sự tương tác trong vùng trường mạnh là chiếm ưu thế.

Từ đó, ta có thể thấy vai trò của xung lade siêu ngắn trong quá trình nghiên cứu về tương tác

lade – vật chất là rất quan trọng. Trong luận văn này, chúng tôi sẽ sử dụng xung lade 5 fs để khảo

sát sự tương tác giữa lade và bazơ nitơ thymine của phân tử ADN. Trong sự tương tác này, hiện

tượng ion hóa xuyên hầm xảy ra, electron thoát khỏi phân tử, và chuyển động trong miền liên tục

trong trường lade.

2.2.4 Hệ số Keldysh

Thực chất trong hai vùng của quang học phi tuyến, vùng nhiễu loạn và vùng trường mạnh,

hiện tượng ion hóa luôn có thể xảy ra, để đặc trưng từng trường hợp, một hệ số đã được đặt ra bởi

p U 2

Keldysh, và sau này được gọi là hệ số Keldysh, xác định như sau:

Trong đó: là thế ion hóa của điện tử trong nguyên tử Ip

ω là tần số của xung lade

là cường độ đỉnh của xung lade E0

là thế trọng động của electron U

Dễ dàng nhận thấy, hệ số Keldysh phụ thuộc vào tần số, cường độ của xung lade sử dụng và

phụ thuộc vào đặc điểm của phân tử, nguyên tử (thể hiện qua thế ion hóa I ).

p = 13.6 eV, với lade có bước sóng

Trong trường hợp của nguyên tử hidro và trong hệ SI, I

thì γ≈1. 800 nm và cường độ là 1014 W/cm2

 Với γ >>1, trường ngoài chỉ gây ra sự nhiễu loạn nhỏ, thế năng hiệu dụng của electron gần

giống với thế năng Coulomb khi không bị nhiễu loạn và một electron chỉ có thể được giải

phóng bằng cách hấp thụ một cách tự phát N photon.

 Với γ<<1, thế Coulomb lại xem như thành phần gây nhiễu loạn, do lúc này trường lade

mạnh hơn so với trường Coulomb của nguyên tử, lúc này electron có thể thoát khỏi hố thế

theo một trong hai cơ chế tùy theo cường độ của trường lade:

 Ion hóa xuyên hầm: Khi cường độ trường lade đủ mạnh, làm cho 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 vào sự thay đổi của thế năng tổng hợp.

 Ion hóa vượt rào: Khi cường độ trường lade 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.

(a) Ion hóa đa photon

(b) Ion hóa xuyên hầm

Hình 2.8: Các cơ chế ion hóa khi lade tương tác với nguyên tử

2.2.5 Tốc độ ion hóa

Sự tương tác giữa trường lade và phân tử, nguyên tử luôn gắn liền với sự ion hóa. Vì vậy

trong quá trình nghiên cứu hiện tượng này, việc tính toán tốc độ ion hóa của nguyên tử, phân tử

trong trường điện từ là một đại lượng luôn được các nhà khoa học quan tâm. Đặc biệt trong việc

ứng dụng chụp ảnh phân tử, tức là sử dụng nguồn thông tin thu được từ phổ HHG, để giải quyết bài

toán ngược tìm thông tin cấu trúc động của phân tử thì tốc độ ion hóa là một đại lượng đặc biệt quan

trọng và cần được xác định.

Các nhà khoa học đã có nhiều nghiên cứu xây dựng những hướng tiếp cận khác nhau để xác

định đại lượng tốc độ ion hóa. Hiện nay có hai hướng tiếp cận phổ biến trong vấn đề này, đó là gần

đúng trường mạnh (SFA) được khởi xướng từ những kết quả tính toán ban đầu của Keldysh, Faisal,

Reiss và gần đúng ADK, được xây dựng ban đầu bởi các tác giả Ammosov, Delone, Krainov. Hai

hướng này về sau được phát triển cho phân tử (MO -SFA và MO-ADK). Hiện nay, đây vẫn là hai

trong số những hướng tiếp cận phổ biến đối với đại lượng tốc độ ion hóa.

2.3 Sự phát xạ sóng hài bậc cao

2.3.1 Giới thiệu về sóng hài bậc cao

Sự tương tác giữa các xung lade mạnh, cực ngắn, phân cực thẳng với nguyên tử với các đám

nguyên và với các phân tử gây ra sự phát các bức xạ điều hòa có tần số gấp nhiều lần tần số trường

lade ban đầu trong vùng XUV hoặc vùng tia X mềm của phổ, gọi là sự phát các sóng hài bậc cao:

High-order Hamornics Generation (HHG).

Hình 2.9: Hiện tượng phát xạ HHG

HHG chính là những photon sinh ra với tần số lớn là một số nguyên lần tần số của xung lade

chiếu tới. Photon phát ra có những tính chất tương tự như ánh sáng lade chiếu tới: nó xuất hiện như

một chùm sáng có hướng và có thể được nén thành một xung ngắn.

Với nhu cầu tạo ra xung ánh sáng siêu ngắn, các nhà nghiên cứu đã nghĩ đến việc sử dụng

chính các electron trong nguyên tử . Các electron này khi tương tác với hạt nhân sẽ bức xạ ra sóng

điện từ dưới dạng các photon, thông thường nếu các điện tử do chịu ảnh hưởng bởi trường ngoài và

bị kích thích phát xạ thì những phát xạ này rất nhỏ, không thể phát hiện được. Các nhà nghiên cứu

đã đặt vấn đề rằng nếu có thể tác dụng một trường ngoài đủ mạnh để cho các electron thoát ra khỏi

hố thế của nguyên tử và quay trở lại kết hợp với hạt nhân mẹ của nó và đồng thời phát ra photon

năng lượng cao . Vì electron được dao động trong một điện trường ngoài nên năng lượng 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 mục 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 nữa, 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 lý học: sử dụng sóng hài bậc cao phát ra khi cho lade 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 một trong

những lĩnh vực thu rút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trên thế giới [6], [7], [9].

2.3.2 Mô hình ba bước Leweistein

Yêu cầu của bài toán tính toán phổ HHG là giải phương trình Sch rodinger phụ thuộc thời

gian của điện tử trong nguyên tử, phân tử khi chịu tác dụng của trường lade. Như vậy, trên nguyên

tắc, chúng ta có thể thu nhận được phổ HHG bằng phương pháp giải chính xác phương t rình

Schrodinger phụ thuộc thời gian (TDSE). Đây là hướng giải quyết trực tiếp để tìm được phổ HHG.

Một số tác giả đã sử dụng hướng giải quyết này và thu nhận phổ HHG của các nguyên tử, phân tử

với sự hỗ trợ đắc lực của máy tính. Song vì tính chất phức tạp của bài toán nguyên tử, phân tử trong

điện trường, cùng với sự giới hạn về mặt tài nguyên của máy tính, do đó các kết quả thu nhận được

[18]. Vì vậy, một yêu cầu đặt ra trong việc nghiên hiện nay chỉ dừng lại cho H2 hay ion của nó H 2

cứu về HHG trong giai đoạn này là xây dựng một mô hình gần đúng để tính toán phổ HHG. Chính

các kết quả đã thu nhận được bằng việc giải bài toán chính xác sẽ là cơ sở quan trọng để kiểm

chứng tính đúng đắn của các mô hình gần đúng.

Mô hình ba bước bán cổ điển của nhóm Corkum [12] (gọi là mô hình Lewenstein theo tên tác

giả chính) ra đời năm 1993 và hiện nay được xem là một mô hình “đẹp” giải thích thành công các

đặc tính của HHG. Mô hình này được xét trong phép gần đúng chuẩn tĩnh, tức là sự thay đổi của

điện trường diễn ra chậm so với chuyển động của electron ở trạng thái liên kết, nhờ vậy hàm sóng

electron có thể điều chỉnh cho phù hợp với thế năng tổng hợp, đồng thời electron cũng có đủ thời

gian để xuyên hầm hoặc vượt rào ra khỏi hố thế tổng hợp và đi vào miền liên tục của trường lade

trước khi trường lade đổi dấu.

Theo mô hình, quá trình phát xạ HHG có thể được mô tả qua ba bước:

 Bước 1 – Electron sẽ xuyên hầm từ trạng thái cơ bản ra miền năng lượng liên tục.

 Bước 2 – Electron được gia tốc bởi trường điện của lade.

 Bước 3 – Do tính tuần hoàn của lade, khi lade đổi chiều electron bị kéo ngược về lại, kết

hợp lại với ion mẹ và phát ra HHG.

Hình 2.10: Mô hình ba bước bán cổ điển Lewenstein

Mô hình ba bước Lewenstein được xây dựng dựa trên hai giả thuyết:

 Trong vùng phổ liên tục (nă ng lượng dương), tác dụng của trường Coulomb đươc bỏ qua,

hạt có thể được coi như một hạt tự do.

 Phần đóng góp của tất cả các trạng thái liên kết khác ngoài trạng thái cơ bản vào quá trình

phát xạ HHG là không đáng kể.

Khi bị chiếu xung lade có cường độ mạ nh, nguyên tử có thể bị ion hóa theo cơ chế đa

photon, hoặc xuyên hầm hoặc vượt rào. Thông thường, trong hiện tượng phát xạ HHG, nguyên tử sẽ

bị ion hóa theo cơ chế xuyên hầm. Khi đó electron sẽ xuyên hầm thoát khỏi liên kết của hạt nhân

trong nguyên tử, đi vào miền liên tục của trường lade. Theo giả thuyết thứ nhất , chuyển động của

electron trong vùng này hoàn toàn tuân theo các quy luật cổ điển. Electron sẽ đổi chiều chuyển động

khi trường lade đổi dấu, quay về tương tác với ion mẹ. Sự tương tác giữa electron và ion mẹ sẽ tạo

ra một lưỡng cực điện . Lưỡng cực này dao động sẽ phát ra photon năng lượng cao, đó chính là

HHG. Tần số tức thời của lưỡng cực dao động này tương quan với động năng của electron khi tái

kết hợp. Nói cách khác, electron và photon phát ra liên hệ nhau qua sự bảo toàn năng lượng, năng

lượng của photon phát ra bằng với năng lượng tái kết hợp của electron và ion mẹ . Do hàm sóng tái

kết hợp trở về trạng thái ban đầu nên toàn bộ động năng của electron tại thời điểm va chạm và năng

lượng ion hóa ban đầu sẽ chuyển thành năng lượng của photon phát ra, tương ứng với HHG có tần

ω ω= 



E k

của lade chiếu vào) số ω (là một bội số của tần số ω0

là năng lượng electron thu được khi dao động trong miền liên tục của trường lade. Với Ek

Thực chất, HHG phát ra với nhiều tần số khác nhau. Những tần số khác nhau của HHG

tương ứng với các quỹ đạo khác nhau của điện tử khi trở về tái va chạm, làm cho động năng của

điện tử tại thời điểm va chạm là khác nhau (hay nói cách khác đó là do năng lượng d ao động của

hàm sóng kết hợp khác nhau) . Giá trị động năng của điện tử khi quay trở về được xác định là một

bội số của thế truyền động Up: Ek=kUp. Năng lượng quay trở lại của electron tại thời điểm t1, Ek có

3.17

ω =  max

E k

. Như vậy photon phát ra có năng lượng cao nhất là thể đạt giá trị cực đại là Ek= 3.17 Up

Ngưỡng năng lượng lớn nhất này của HHG tương ứng với điểm dừng cut off trên đồ thị

HHG biến thiên theo tần số. Tại vị trí điểm dừng, photon phát ra có năng lượng tương ứng là

max

3.17 ω 0

, do đó ta sẽ có bội số lớn nhất của tần số giới hạn vùng plateau là: 3.17Up +Ip

Ta có dạng đồ thị của phổ HHG theo lý thuyết:

Hình 2.11: Cường độ HHG phụ thuộc vào tần số.

Về mặt toán học, phổ các sóng hài do một đơn nguyên tử hay phân tử phát ra chính là khai

triển Fourier của gia tốc của lưỡng cực Cường độ I và pha φ HHG tại tần số ω có thể viết tách biệt

ra như sau:

(

arg[d(

) 4 ∝ ω ω ω ( ) ( ) ω φ ω )]

a k [ (

  r er ( )(

) exp[

ω ( )]

 d r

Trong đó, moment lưỡng cực chuyển trạng thái trong vùng của phổ là

( ) ω

∫ ω ψ )] g

Mặc dù mô hình Lewenstein chỉ xây dựng cho đối tượng là nguyên tử, ion trong trường lade

mạnh. Tuy nhiên, các tác giả khác đã mở rộng và phát triển cho các phân tử [19]. Trong luận văn

này, chúng tôi đã dùng chương trình AT -code mô phỏng HHG trên ngôn ngữ Fortran và thu được

kết quả đối với phân tử thymine.

Theo mô hình Lewenstein đã đư ợc xây dựng và phát triển thì lade chiếu vào được xem như

chỉ tương tác với vân đạo ngoài cùng của phân tử (HOMO), đó chính là orbital có chứa điện tử có

năng lượng cao nhất của phân tử, hay hiểu theo lý thuyết cổ điển đó chính là orbital ngoài cùng của

phân tử. Do đó khi thực hiện khảo sát sự tương tác giữa lade và phân tử theo mô hình Lewenstein

thì chúng ta xem như thực hiện khảo sát sự tương tác giữa lade với HOMO của phân tử.

Chương 3 Mô hình tính toán và mô hình thí nghiệm

Trong luận văn này, chúng tôi sẽ sử dụng các công cụ tính toán để thực hiện việc thu mô

phỏng HHG phát ra khi cho lade mạnh tương tác với bazơ nitơ thymine của phân tử ADN. Các công

cụ tính toán này được xây dựng trên những mô hình tính toán (computational chemistry model). Mô

hình hóa học tính toán là một mô phỏng toán học hoàn chỉnh dựa trên một phương pháp tính toán cụ

thể. Đơn giản, ta có thể hiểu đó là một “lập trình” cần thiết để thực hiện công việc tính toán được

yêu cầu. Một mô hình hóa học tính toán hoàn chỉnh bao gồm hai “thành phần” cần thiết:

 Một phương pháp tính toán cần để giải quyết bài toán nguyên tử, phân tử, cần giải quyết

 Một hệ hàm cơ sở.

Trong luận văn này, chúng tôi sẽ sử dụng phần mềm Gaussian để thực hiện việc tính toán cấu

trúc và của phân tử. Đồng thời sử dụng source code Fortran được xây dựng bởi Giáo sư Lê Anh Thư

dựa trên mô hình ba bư ớc Lewenstein và sau đó được phát triển bởi nhóm nghiên cứu trường Đại

Học Sư phạm để tính toán cường độ HHG phát ra.

3.1 Giới thiệu về phần mềm Gaussian

Phần mềm Gaussian được phát triển đầu tiên là vào năm 1970 bởi John Pople và nhóm cộng

sự của ông tại trường đại học Carnegie-Mellon. Nguồn gốc của cái tên Gaussian xuất phát từ việc sử

dụng các hàm Gauss để tăng tốc độ tính toán so với việc sử dụng các hàm Slater. Trong suốt quá

trình phát triển của mình, đã có 19 phiên b ản Gaussian được phát triển từ phiên bản đầu tiên là

Gaussian70, Gaussian76, đến những phiên bản gần đây như Gaussian 03, Gaussian 09. Càng phát

triển khả năng tính toán và việc tối ưu hóa tốc độ tính toán của Gaussian ngày càng hoàn thiện.

Về cơ bản một file input để Gaussian thực hiện tính toán gồm có 4 phần chính:

 Các tính năng tính toán (job type)

 Phương pháp sử dụng để tính toán (the method).

 Hệ hàm cơ sở (basis set)

 Cấu trúc nguyên tử, phân tử.

3.1.1 Các chức năng tính toán

Gaussian cung cấp cho người dùng rất nhiều tính năng tính toán phục vụ cho từng nhu cầu

của người sử dụng. Những tính năng tính toán của Gaussian rất đa dạng bao trùm lên nhiều chuyên

ngành khác nhau của hóa lượng tử. Với những từ khóa cụ thể người dùng sẽ quy định cho Gaussian

tính toán công việc mà người dùng yêu cầu. Trong luận văn này chúng tôi sử dụng chủ yếu là chức

năng tối ưu hóa cấu trúc cấu hình, tính toán bề mặt thế năng và mô phỏng đường phản ứng hóa học.

Tối ưu hóa cấu hình (Geometry Optimization) là việc tìm ra cấu trúc của một nguyên tử,

phân tử sao cho với cấu trúc đó năng lượng liên kết là bé nhất trong một miền biến thiên nào đó của

cấu trúc nguyên tử, phân tử. Tính năng này được quy định bởi từ khóa Opt (optimization) trong

Gaussian. Việc tối ưu hóa được dựa trên tiêu chuẩn hội tụ được quy định trong Gaussian.

Mặt thế năng (Potential Energy Surface) là mặt cong, sao đó ứng với mỗi điểm trên mặt

thế năng đó sẽ ứng với một cấu hình của phân tử. Việc tính toán mặt thế năng được quy đinh bới từ

khóa Scan trong Gaussian. Thực chất việc tính toán bề mặt thế năng chính là việc tính toán năng

lượng ứng với cấu hình cụ thể của phân tử. Chức năng Scan cho phép người dùng thay đổi các giá

trị của biến số (góc, khoảng cách hạt nhân) để thiết lập nên các cấu trúc khác nhau của cùng một

phân tử.

Đường phản ứng hóa học (Chemical Reaction Path) là đường cong mô tả năng lượng của

phân tử trong quá trình chuyển từ đồng phân này sang một đồng phân khác. Trong quá trình chuyển

đồng phân, nguyên tử sẽ có rất nhiều cấu trúc trung gian, ứng với mỗi cấu trúc cụ thể đó, phân tử lại

có nhiều mức năng lượng khác nhau. Tập hợp tất cả các cấu trúc có năng lượng thấp nhất trong quá

trình chuyển đồng phân đó tạo thành đường phản ứng hóa học của phân tử. Tính năng tính toán

đường phản ứng hóa học được quy định bởi từ khóa IRC (Intrinsic Reaction Coordinate).

3.1.2 Phương pháp tính toán

Việc quy định tính năng tính toán giống như việc dự định công việc mình sẽ làm và do đó

chúng ta cần có những phương pháp tính, công cụ cho việc tính toán đó. Về phương pháp tính

Gaussian cũng cung cấp cho người dùng rất nhiều phương pháp. Gaussian cung cấp cho người dùng

một hệ thống phương pháp rất hoàn thiện như Hartree Fock, phương pháp lý thuy ết nhiễu loạn,

phương pháp bán nghiệm, phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ…. Trong đề tài này chúng tôi

sử dụng phương pháp lý thuy ết phiếm hàm mật độ DFT. Năm 1998, nhà Vật lý W. Kohn nhận giải

Nobel cho công trình lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT. Lý thuyết này được hình thành rất lâu, từ

năm 1964 bởi W. Kohn và P. Hohenberg. Từ đó DFT đã trở thành một công cụ phổ biến và hiệu

dụng trong lĩnh vực hoá tính toán. Rất nhiều chương trình mô phỏng và tính toán đã sử dụng kết quả

của lý thuyết này. DFT ngày nay là một trong những công cụ mang lại kết quả chính xác khi áp

dụng vào hệ vi mô, ứng dụng của thuyết này cũng đư ợc đưa vào rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Lý

thuyết này hiện nay đang được tiếp tục hoàn thiện và phát triển.

3.1.3 Hệ hàm cơ sở

Một hệ hàm cơ sở là một mô tả toán học của orbitals được sử dụng để thực hiện tính toán về

lý thuyết. Hệ hàm cơ sở lớn hơn sẽ có tính chính xác hơn, xấp xỉ gần đúng hơn đối với các orbitals

bằng cách đặt ra ít hạn chế hơn trên các vị trí của điện tử trong không gian. Các hệ hàm cơ sở bao

gồm một nhóm hàm cơ sở để mỗi nguyên tử trong phân tử xấp xỉ gần đúng orbitals của nó. Hệ hàm

cơ sở chuẩn cho tính toán cấu trúc điện tử sử dụng sự tổ hợp tuyến tính của các hàm Gauss để thiết

lập nên các orbitals. Các hàm cơ sở này chính nó được tạo thành từ sự kết hợp tuyến tính các hàm

Gauss các hàm cơ sở như thế được gọi là các hàm rút gọn, và các hàm thành phần của gaussian

được gọi là nguyên hàm. Hàm cơ sở bao gồm hàm gaussian đơn được gọi là không rút gọn.

r α −

g α ( , ,

l m n x y z , ) ;

l m n x y z

Dạng toán học của hàm Gauss viết trong tọa độ Decac như sau:

Trong đó: N là hệ số chuẩn hóa α gọi là hệ số mũ l, m, n không phải là các lượng tử số mà là các số mũ nguyên không âm

3 4

α − r

( α ,

)

α 2 π

 =  

  

1 4

α − r

( α ,

)

q e 1

q 1

5 α 182 3 π

 =  

  

1 4

α − r

( α ,

)

q q e 1 2

q q 1 2

7 α 2048 3 π 9

 =  

  

Các hàm Gauss thường được dùng trong tính toán :

,q q là các tọa độ suy rộng có thể nhận các giá trị là x, y, z.

Với

3.1.4 Cấu trúc nguyên tử, phân tử

Cấu trúc nguyên tử, phân tử trong được thiết lập của Gaussian bao gồm tên các nguyên tử,

tọa độ nguyên tử, góc, khoảng cách, điện tích, spin có thể được thiết lập trực tiếp trên file input của

Gaussian để thực hiện các chức năng tiếp theo mà người dùng mong muốn. Tuy nhiên khi thực hiện

viết thủ công sẽ rất dễ dẫn đến cấu trúc đó không phù hợp và việc tính toán sẽ không thực hiện

được. Do đó để khắc phục điều này chúng ta nên sử dụng phần mềm Gaussview để thiết lập cấu trúc

giả định của phân tử. Gaussivew là phần mềm dùng để xem các kết quả được tính toán từ Gaussian,

không những vậy Gaussview còn có một hệ thống các công cụ với đầy đủ các chức năng để người

dùng có thể thiết lập cấu trúc giả định.

3.2 Giới thiệu về FORTRAN

FORTRAN là từ viết tắt của từ: FORmular TRANslator, là một trong những ngôn ngữ lập

trình cổ xưa nhất. Ngôn ngữ này được John Backus đã tạo ra và phát hành vào năm 1957. Hiện nay

FORTRAN là ngôn ngữ lập trình được sử dụng rộng rãi trong cộng đồng khoa học để giải quyết các

bài toán số trong khoa học kĩ thuật.

3.3 Mô hình thí nghiệm mô phỏng

Trên thực tế thí nghiệm lade luôn tương tác với không chỉ một mà là một hệ nhiều phân tử có

phân bố đẳng hướng, do đó các phân tử này phải được định phương để dữ liệu HHG thu được có

tính đồng bộ cao. Phân tử sẽ được định phương trong mặt phẳng vuông góc với phương truyền của lade chiếu vào. Sau đó chiếu lade có độ dài xung 5 fs, bước sóng 800 nm, cường độ mạnh 2.1014 W/cm2 vào phân tử, các hiệu ứng phi tuyến xảy ra và một trong những hiệu ứng đó là phát xạ HHG.

Ta đặt thiết bị thu tín hiệu HHG theo cùng phương truyền của lade chiếu vào và chỉ đo các HHG

phát ra cùng phân cực và vuông góc với vectơ phân cực của lade chiếu vào (từ đây sẽ gọi là HHG

song song và HHG vuông góc). Gọi góc định phương θ là góc hợp bởi phương của vectơ phân cực

của lade và trục phân tử. Trục phân tử trong mô hình này đư ợc chọn là cùng phương với mối liên

kết N1-C2. Chúng ta lần lượt thay đổi góc theta và đo HHG phát ra ứng với các góc định phương

này.

Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm

Do không có dữ liệu HHG thực nghiệm do đó cần mô phỏng được HHG phát ra do tương tác

của phân tử và lade. Việc mô phỏng này được thực hiện dựa trên mô hình lý thuyết về HHG đã trình

bày ở trên và mô phỏng trên ngôn ngữ lập trình FORTRAN 77.

Chương 4 Kết quả

Dựa trên mô hình tính toán và phương pháp tính toán đã nêu ở trên. Trong chương này,

chúng tôi sẽ trình bày các kết quả chính mà chúng tôi đạt được với mục tiêu luận văn đã đề ra.

4.1 Mô phỏng cấu trúc và HOMO của phân tử thymine

Thymine có rất nhiều đồng phân tuy nhiên ở đây chúng tôi chỉ xét tới hai dạng hỗ biến enol

và keto cùng với cấu trúc chuyển tiếp trong quá trình tautomer hóa của thymine. Để mô phỏng được

HHG phát ra khi lade tương tác với phân tử thymine chúng ta cần có những thông tin về cấu trúc

của phân tử thymine. Các thông tin này là góc, khoảng cách giữa các hạt nhân. Để có các thông tin

này chúng tôi sử dụng phần mềm Gaussian 03W với chức năng Optimization, phương pháp lý

thuyết phiếm hàm mật độ DFT cùng với hệ hàm cơ sở 6-31G+(d,p). Kết quả mô phỏng cấu trúc

thymine đã được tối ưu hóa (có năng lượng cực tiểu) được thể hiện bằng hình vẽ sau đây.

(a) (b) (c)

Hình 4.1: Ba trạng thái cân bằng của phân tử thymine.

Trạng thái enol; (b) trạng thái chuyển tiếp; (c) trạng thái keto

Để có thể thấy được mức độ chính xác trong phương pháp sử dụng chúng tôi so sánh với số

liệu thực nghiệm thu được cho cấu trúc của phân tử thymine ở trạng thái keto.

Bảng 4.1: so sánh các giá trị về góc và khoảng cách

của phân tử thymine giữa thực nghiệm và lý thuyết

Khoảng cách Thực nghiệm. Gaussian 03W Sai số tỉ đối

Tán xạ tia X (Å) DFT/6-31G+(d,p) (Å) (%)

N1-C2 1.376 1.378 0.873

C2-N3 1.373 1.385 1.808

N3-C4 1.382 1.407 1.944

C4-C5 1.440 1.468 1.120

C5-C6 1.339 1.354 0.217

C6-N1 1.378 1.381 0.874

C2-O9 1.220 1.221 0.082

C4-O4 1.228 1.225 0.244

C5-C7 1.496 1.502 0.401

Góc Thực nghiệm. Gaussian 03W Sai số tỉ đối

Tán xạ tia X (độ) DFT/6-31G+(d,p) (độ) (%)

C6-N1-C2 121.3 123.8 2.061

N1-C2-N3 114.6 112.8 1.571

C2-N3-C4 127.2 127.9 0.550

N3-C4-C5 115.2 114.8 0.347

C4-C5-C6 118.0 118.0 0.000

C5-C6-N1 123.7 122.7 0.808

N1-C2-O9 123.1 123.1 0.000

N3-C2-O9 122.3 124.1 1.472

N3-C4-O8 119.9 120.1 0.167

C5-C4-O8 124.9 125.1 0.160

C4-C5-C7 119.0 118.2 0.672

C6-C5-C7 122.9 124.0 0.895

Quan sát bảng trên ta nhận thấy giá trị sai số tỉ đối lớn nhất của cấu trúc mô phỏng và cấu

trúc thu từ thực nghiệm có giá trị lớn nhất là 2.061%. Đây là giá trị cho phép trong Vật lý, điều này

cho thấy phương pháp sử dụng để mô phỏng là đáng tin cậy và sẽ được sử dụng cho các phần mô

phỏng sau.

Trong mô hình chúng tôi sử dụng, lade chỉ tương tác với HOMO của phân tử và phát xạ ra

HHG do đó để mô phỏng được HHG của phân tử thymine ta cần có những thông tin về HOMO của

phân tử. Từ cấu trúc được tối ưu hóa của thymine từ Gaussian chúng tôi tiếp tục sử dụng phương

pháp nêu trên để có được thông tin về HOMO của phân tử thymine.

(a) (b) (c)

Hình 4.2: HOMO ba trạng thái cân bằng của phân tử thymine.

(a) Trạng thái enol; (b) trạng thái chuyển tiếp; (c) trạng thái keto.

Sử dụng mô hình thí nghiệm đã nêu ở trên, chúng tôi cho lade tương tác với ba trạng thái cân

bằng và thu HHG phát ra từ sự tương tác này. Từ bộ cơ sở dữ liệu HHG thu được chúng tôi hy vọng

có thể phân biệt được ba trạng thái cân bằng này.

4.2 Phân biệt các trạng thái của phân tử thymine

Để có thể phân biệt được các trạng thái này, chúng tôi lần lượt thay đổi các góc định phương

khác nhau từ 00 đến 1800 và thu được HHG từ sự tương tác này. Kết quả thể hiện bằng hình vẽ như

sau cho phân tử thymine ở trạng thái keto.

Hình 4.3: Cường độ HHG theo các góc định phương khác nhau

của trạng thái keto-thymine.

Quan sát đồ thị ta nhận thấy đồ thị cường độ HHG vào các góc định phương khác nhau của

)11ω<

thì cường độ HHG phát ra rất lớn thêm vào đó là mô hình thí nghiệm của trạng thái keto theo cả hai phương HHG song song và HHG vuông góc đều có những điểm chung. Ở vùng số thấp (

chúng ta không còn đúng nữa do đó dữ liệu HHG thu được trong vùng này không chính xác. Sau đó

33ω=

đồ thị có dạng gần như bằng phẳng trong một vùng tần số nhất định (ta gọi là miền plateau). Miền

)33ω>

< 33ω<

thì cường này kết thúc tại ngưỡng tần số nhất định (ta gọi là cutoff, ) [8]. Sau đó với (

)

. độ HHG giảm nhanh về không và mô hình tính toán Lewenstein cũng không còn chính xác do đó dữ liệu HHG chỉ có giá trị với tần số trong miền phẳng(

Để thấy rõ sự phụ thuộc của HHG vào góc định phương ta xét với các bậc cụ thể 19, 21, 23

và 25.

Hình 4.4: Sự phụ thuộc cường độ HHG vào góc định phương.

19 (màu đen), 21 (màu đỏ), 23 (màu xanh lá), 25 (màu xanh đậm).

Đồ thị bên trái là HHG song song, bên phải là HHG vuông góc.

(a) Trạng thái enol, (b) trạng thái chuyển tiếp, (c) trạng thái keto.

Dựa vào đồ thị chúng tôi nhận thấy HHG song song và HHG vuông góc ứng với một bậc cụ

thể cho ba trạng thái cân bằng thì dáng điệu của đồ thị là khá giống nhau do đó với phương pháp

này chưa thể phân biệt được các trạng thái này. Nguyên nhân của việc chưa thể dùng phương pháp

này để phân biệt các trạng thái cân bằng của phân tử thymine là sự đóng góp của nguyên tử H11 lên

HOMO của phân tử với cả ba trạng thái cân bằng là không đáng kể. Mà trong mô hình chúng tôi sử

dụng cần lade chỉ tương tác với HOMO của phân tử và phát HHG. Do đó phương pháp này nên

được sử dụng với những đồng phân mà có HOMO khác nhau về mặt hình dạng. Cũng c ần có

phương pháp cải tiến mô hình để thu được kết quả chính xác hơn.

4.3 Mô phỏng quá trình động học phân tử của phân tử thymine

Khi phân tử đang tồn tại ở trạng thái enol thì phân tử thymine sẽ có xu hướng trở về trạng thái

keto do trạng thái này có mức năng lượng thấp hơn. Tuy nhiên nếu phân tử ở trạng thái keto cũng có

thể hoàn toàn chuyển sang trạng thái enol nếu nhận được năng lượng thích hợp. Trong phần này

chúng tôi sẽ mô phỏng quá trình tautomer hóa khi thymine chuyển từ trạng thái enol sang keto. Để

thực hiện được mục tiêu này chúng tôi cần khảo sát mặt thế năng của phân tử thymine cũng như

phải mô phỏng được đường phản ứng hóa hoc trong quá trình chuyển đồng phân này. Để khảo sát

mặt thế năng của phân tử thymine, chúng tôi lần lượt thay đổi vị trí của H11 trong không gian. Để

làm điều này chúng tôi lần lượt thay đổi thay đổi C4H11 và góc O8C4H11. Sử dụng Job type Scan

bằng phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT với hệ hàm cơ sở 6-31G+(d,p) chúng tôi đã mô

phỏng được đường phản ứng hóa học trong quá trình chuyển đồng phân của thymine.

Hình 4.5: Mặt phẳng thế năng của phân tử thymine.

Dựa vào mặt thế năng của phân tử thymine ta nhận thấy có một vị trí cực tiểu địa phương (R = 1.87Å, θH = 300) vị trí này hoàn toàn trùng khớp ứng với trạng thái Enol, một vị trí yên ngựa (R = 1.61 Å, θH = 53.40) tương ứng với trạng thái chuyển tiếp và một vị trí cực tiểu toàn cục (R = 2.07 Å, θH = 940) ứng với trạng thái keto. Như vậy hai trạng thái enol và keto là hai trạng thái bền và do có

năng lượng bé hơn nên trạng thái keto sẽ là trạng thái bền hơn.

Sử dụng phương pháp động học phân tử bằng gần đúng Born-Oppenheimer chúng tôi đã mô

phỏng được quá trình tautomerism của thymine, bằng hình ảnh đường phản ứng hóa học của phân

tử như sau:

Hình 4.6: Đường phản ứng hóa học của phân tử thymine

Dựa vào đồ thị đường phản ứng hóa học ta nhận thấy năng lượng tương quan trong quá trình

đồng phân hóa của trạng thái như enol-keto là 0.62 eV và của trạng thái chuyển tiếp-keto là 1.92 eV.

4.4 Theo dõi quá trình động học phân tử của phân tử thymine

Trong phần trước chúng tôi đã mô phỏng được quá trình tautomer hóa của thymine, vậy liệu

có thể theo dõi được quá trình này hay không. Nếu làm được điều này thì việc điều khiển quá trình

tautomer hóa này sẽ có thể trở thành hiện thực trong tương lai gần. Với mô hình thí nghiệm được

giữ như cũ, trong suốt quá trình tautomer hóa này, chúng tôi liên tục chiếu lade vào quá trình này và

thu HHG phát ra với hy vọng có thể theo dõi đư ợc quá trình này. Quá trình tautomer hóa của

thymine từ trạng thái enol sang keto được mô tả như hình vẽ sau.

Hình 4.7: Quá trình chuyển đồng phân của phân tử thymine. Đường mũi tên màu xanh chỉ quá trình

dịch chuyển của nguyên tử H11.

Quan sát hình trên ta nhận thấy quá trình tautomer hóa được diễn ra như sau. Nguyên tử H11

nhận được năng lượng bứt khỏi mối liên kết với O8, sau đó chuyển động về hướng nguyên tử N3.

Trong quá trình tautomer hóa này phân tử sẽ đi qua trạng thái chuyển tiếp và quá trình kết thúc khi

liên kết H11-N3 được hình thành và tạo thành trạng thái cân bằng bền keto. Do đó để đặc trưng cho

quá trình tautomer hóa này chúng ta có thể đặc trưng bằng vị trí của H11 trong không gian. Ở đây

chúng tôi chọn góc giữa O8C4H11 làm đặc trưng cho quá trình chuy ển đồng phân này và gọi nó là

góc cấu trúc θH.

Hình 4.8: Góc cấu trúc trongquá trình tautomer hóa của phân tử thymine

Góc cấu trúc đặc trưng cho ba trạng thái của phân tử thymine là ~300 cho trạng thái enol,

cho trạng thái keto. ~520 cho trạng thái chuyển tiếp và 940

Khảo sát sự phụ thuộc của cường đô HHG vào hai biến số góc định phương và góc cấu trúc

chúng tôi thu được kết quả như sau:

Hình 4.9: Cường độ HHG song song phụ thuộc vào góc định phương và góc cấu trúc trong quá

trình hỗ biến hóa học của thymine ứng với bậc 19 và 21.

Trong cả quá trình tautomerism, dựa vào HHG song song với bậc 19 và 21 ta nhận thấy HHG cực đại trong 3 vùng. Vùng thứ nhất là vùng nằm ở vị trí góc cấu trúc cỡ 300-350 tương ứng với

trạng thái enol; vùng thứ hai là vùng nằm trong khoảng góc cấu trúc cỡ 500-600 tương ứng với trạng thái chuyển tiếp; vùng thứ ba là vùng nằm trong khoảng góc cấu trúc cỡ 900-940 tương ứng với

trạng thái keto. Với HHG vuông góc cũng như HHG song song nhưng với các bậc còn lại (khác bậc

19 và 21) thì các cực đại không trùng với ba trạng thái cân bằng này. Do đó sử dụng HHG song

song bậc 19 và 21 ta có thể theo dõi được quá trình tautomerism của thymine.

KẾT LUẬN

1. Chúng tôi đã trình bày một cách có hệ thống các cơ sở lý thuyết hỗ trợ cho quá trình mô phỏng

và tính toán trong luận văn:

 Cấu trúc và đặc điểm của ADN, cơ chế phân tử của quá trình đột biến.

 Cơ sở về lade cực ngắn và cơ chế phát xạ HHG bậc cao.

 Giới thiệu về mô hình tính toán.

2. Như vậy, bằng cách sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ DFT (Density Functional Theory)

với hiệu chỉnh Gradient B3LYP và hệ hàm cơ sở 6-31G+(d,p) thông qua phần mềm Gaussian chúng

tôi đã mô phỏng được cấu trúc và HOMO của ba trạng thái cân bằng của hai bazơ nitơ thymine. Kết

quả tính toán phù hợp với thực nghiệm [20]. Sử dụng phương pháp động học phân tử bằng gần đúng

Born-Oppenheimer chúng tôi đã mô phỏng được quá trình tautomerism của thymine, bằng hình ảnh

mặt thế năng và đường phản ứng hóa học của phân tử. Dựa vào hình ảnh mặt thế năng (PES) của

bazơ nitơ thymine chúng tôi đã chỉ ra 2 trạng thái bền enol và keto cũng như trạng thái chuyển tiếp.

Mô phỏng được quá trình tautomer hóa của bazơ nitơ thymine bằng Gaussian và chỉ ra được năng

lượng chênh lệch giữa hai tautomer là 0,62 eV.

3. Tiếp theo, dựa trên mô hình ba bư ớc Lewenstein, chúng tôi đã mô ph ỏng được HHG do tương

tác của hai phân tử này với lade và theo dõi thành công quá trình tautomerism cho phân tử thymine.

Kết quả này mang tính định hướng cho thực nghiệm.

4. Tuy nhiên theo mô hình ba bư ớc Lewenstein thì lade chỉ tương tác với HOMO của phân tử. Vì

HOMO của các trạng thái cân bằng của thymine là rất giống nhau, nên chưa thể sử dụng HHG phân

biệt được các trạng thái cân bằng của phân tử thymine. Do đó cần thiết phải có mô hình tính toán

chính xác hơn để mô phỏng HHG.

HƯỚNG PHÁT TRIỂN

- Mở rộng nghiên cứu cho các bazơ nitơ khác

- Quá trình deamination của cytosine là quá trình chuyển từ cytosine thành uracil không có

trong ADN.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Đinh Đoàn Long, Đỗ Lê Thăng (2009), “Cơ sở di truyền học phân tử và tế bào”, nhà xuất bản

Đại Học Quốc Gia Hà Nội.

[2] Nguyễn Ngọc Ty, Nguyễn Đăng Khoa, Lê Văn Hoàng, “Thông tin động về cấu trúc phân tử

C2H2 sóng hài bậc cao sử dụng xung lade siêu ngắn”, tạp chí khoa học ĐH Sư Phạm TP.Hồ

Chí Minh, số 12 (Khoa học Tự Nhiên) trang 119-130.

[3] Nguyễn Đăng Khoa, luận văn thạc sĩ, “Tách thông tin cấu trúc phân tử từ sóng hài bậc cao sử

dụng laser siêu ngắn” trường Đại học Khoa học tự nhiên TP.Hồ Chí Minh, 2008.

[4] Nguyễn Đông Hải khóa luận tốt nghiệp, “Lade siêu ngắn và ứng dụng trong chụp ảnh phân

tử”, trường Đại học Sư phạm TP.Hồ Chí Minh, 2006.

[5] Phan Văn Tân, “Ngôn ngữ lập trình Fortran 90”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội 2007.

[6] Nguyen Ngoc Ty, Le Van Hoang, Vu Ngoc Tuoc, Le Anh Thu (2010), “Retrieving molecular

structural information and tracking HNC/HCN isomerization process with high harmonic

generation by ultrashort lade pulses”, Communications in Physics 20 (accepted).

[7] Ngoc-Ty Nguyen, Bich-Van Tang, and Van-Hoang Le (2010), “Tracking molecular

isomerization process with high harmonic generation by ultrashort lade pulses”, Journal of

Molecular Structure, Theochem Volume 949, Issues 1-3, 15 June 2010, Pages 52-56.

[8] Le Van Hoang, Le Anh Thu, Rui-Hua Xie and Lin C.D. (2007), “Theoretical analysis of

dynamic chemical imaging with lades using high-order harmonic generation”, Physical

Review A 76, pp. 013414 – 13.

Itatani J., Levesque J., Zeidler D., Niikura H., Pepen H., Kieffer J. C., Corkum P. B., [9]

Villeneuve D. M. (2004), “Tomographic imaging of molecular orbitals”, Nature 432, pp. 867 –

871.

[10] Lewenstein M., Balcou Ph., Ivanov M.Yu., L’Huillier Anne, and Corkum P.B. (1994),

“Theory of high harmonic generation by low – frequency lade fields”, Physical Review A 49,

pp. 2117 – 2132.

[11] Frisch M. J. et al. (2003), GAUSSIAN 03, revision C.02, Gaussian, Inc., Pittsburgh, PA.

[12] Corkum P. B. (1993), “Plasma perspective on strong field multiphoton ionization”, Physical

Review Letters 71, pp. 1994 – 1997.

[13] Zewail A H (1990) J. Phys. Chem. A Vol.104, p. 5560

[14] Xiao Xin Zhou, X. M. Tong, Z. X. Zhao, and C.D. Lin (2005), “Role of molecular orbital

symmtre on the alignment dependence of high-order harmonic generation with molecules”,

Physical Review A 71.

[15] Elguero, J.; Marzin, C.; Katritzky, A.R.; Linda, P., “The Tautomerism of Heterocycles.

Adv.Heterocycl. Chem. Suppl. I” (1976).

[16] James B. Foresman, Eleen Frisch, “Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods”,

2nd edition, Gaussian Inc., Pittsburgh, PA.

[17] Jirˇı´ Sˇ poner, Jerzy Leszczynski, Pavel Hobza, “Electronic Properties,Hydrogen Bonding,

Stacking,and Cation inding of ADN and RNA Bases”, Institute of Biophysics, Academy of

Sciences of the Czech Republic.

[18] Chirilă C.C., Lein M. (2009), “High-order harmonic generation in vibrating two-electron

molecules”, Chemical Physics 366 , pp. 54 – 57.

[19] Le Anh Thu, Della Picca R., Fainstein P. D., Telnov D. A., Lein M. and Lin C. D. (2008),

“Theory of high-order harmonic generation from molecules by intense lade pulses”, Journal of

Physics B 41, pp. 081002 – 6.

[20] http://ndbserver.rutgers.edu/archives/proj/valence/bases4.html

Luận văn tốt nghiệp đại học: Theo dõi quá trình động học phân tử Thymine bằng lade xung cực ngắn