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

Chia sẻ: Lavie Lavie | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:52

Thêm vào BST

Báo xấu

98
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn tốt nghiệp đại học: Theo dõi quá trình động học phân tử Thymine bằng lade xung cực ngắn nêu lên cơ sở lý thuyết về ADN, tổng quan về lade và cơ chế phát xạ sóng hài, mô hình tính toán và mô hình thí nghiệm, kết quả.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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
LỜI CẢM ƠN 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
MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................... 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ........... Error! Bookmark not defined. LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................ 6 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 1.1.2 Cấu trúc...................................................................................... 15 1.2 Chức năng sinh học của ADN ........................................................... 16 1.3 Quá trình tự nhân đôi ADN............................................................... 16 1.4 Đột biến ............................................................................................ 17 1.4.1 Đột biến do tác nhân hóa học ..................................................... 17 1.4.2 Đột biến do lỗi sao chép ADN .................................................... 18 Chương 2 Tổng quan về lade và cơ chế phát xạ sóng hài ...................... 21 2.1 Lý thuyết về lade .............................................................................. 21 2.1.1 Sơ lược về lade ........................................................................... 21 2.1.2 Nguyên lý hoạt động của lade..................................................... 22 2.1.3 Tính chất của lade ...................................................................... 23 2.1.4 Các chế độ hoạt động của lade.................................................... 23 2.1.5 Sự phát triển của lade xung siêu ngắn ......................................... 24 2.2 Tương tác giữa trường lade với nguyên tử, phân tử ........................... 25 2.2.1 Giới thiệu về quang học phi tuyến .............................................. 26 2.2.2 Tương tác giữa trường lade và nguyên tử ................................... 26 2.2.3 Tương tác của nguyên tử với một xung lade ............................... 29 2.2.4 Hệ số Keldysh ............................................................................ 30 2.2.5 Tốc độ ion hóa............................................................................ 31 2.3 Sự phát xạ sóng hài bậc cao .............................................................. 32 2.3.1 Giới thiệu về sóng hài bậc cao .................................................... 32 2.3.2 Mô hình ba bước Leweistein ...................................................... 33
Chương 3 Mô hình tính toán và mô hình thí nghiệm............................. 37 3.1 Giới thiệu về phần mềm Gaussian..................................................... 37 3.1.1 Các chức năng tính toán ............................................................. 37 3.1.2 Phương pháp tính toán ................................................................ 38 3.1.3 Hệ hàm cơ sở ............................................................................. 39 3.1.4 Cấu trúc nguyên tử, phân tử........................................................ 39 3.2 Giới thiệu về FORTRAN .................................................................. 40 3.3 Mô hình thí nghiệm mô phỏng .......................................................... 40 Chương 4 Kết quả.................................................................................... 41 4.1 Mô phỏng cấu trúc và HOMO của phân tử thymine .......................... 41 4.2 Phân biệt các trạng thái của phân tử thymine .................................... 43 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 51
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ADN: Axit Deoxyribonucleic AS: Attosecond(10-18s) DFT: Phương pháp phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory) FS: Femtosecond (10-15s) 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 = 10-12s). 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 cho biết xung lade 80 as đã được chế tạo thành công tại phòng thí nghiệm Max-Planck và Lawrence 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 N 2 đã được tái tạo. Đặc biệt lade sử dụng
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 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 dụng nguồn dữ liệu HHG để theo dõi quá trìnhđ 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 như H 2 , hay ion của nó H 2 + (phương pháp TDSE). Tuy nhiên không phải bao giờ chúng ta cũng có 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 hìnhđư ợc cộng đồng khoa học chấp nhận rộng rãiđó là mô ình h 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 trìnhđăng 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 mà chỉ tiếp thu các kỹ thuật tính toán được sử dụng và xem như đây là một công cụ cho chúng tôi thực hiện luận văn này. 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 phápýl 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 HHGđ 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
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 hydro 1. 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', gọi là cấu trúc song song ngược chiều hay đối song song. 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.
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.
 Các hợp chất alkyl hóa: là các chất có khả năng chuyển các nhóm -CH 3 hoặc -C 2 H 5 … sang 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 hay không. Nó là một chất oxy hóa mạnh, làm cho nhóm amin (-NH 2 ) bị loại ra khỏi A, G, 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 ì thv 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.