Luận văn tốt nghiệp Vật lý: Theo dõi quá trình động học phân tử của adenine bằng lade xung cực ngắn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

  

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THEO DỎI QUÁ TRÌNH ĐỘNG HỌC PHÂN

TỬ CỦA ADENINE BẰNG LADE XUNG

CỰC NGẮN

GVHD: PGS.TSKH. LÊ VĂN HOÀNG

SVTH: LÊ HẢI MỸ NGÂN

NIÊN KHÓA: 2006 – 2010

-----------------------------------------------

TP. HỒ CHÍ MINH – 5/2010

Lôøi caûm ôn

Để hoàn thành được khóa học và luận văn tốt nghiệp này, tôi đã nhận được sự động viên,

giúp đỡ và hỗ trợ nhiệt tình từ gia đình, thầy cô, nhà trường và bạn bè. Thông qua luận văn tốt

nghiệp, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả mọi người.

Đầu tiên tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến Thầy hướng dẫn PGS.TSKH. Lê Văn Hoàng đã

tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi thực hiện và hoàn thành

luận văn.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Ngọc Ty đã nhiệt tình chỉ dẫn, giúp đỡ và

động viên tôi trong thời gian thực hiện luận văn.

Cùng với các bạn sinh viên cùng khóa, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể

thầy cô thuộc khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm TP.HCM trong suốt khóa học đã truyền đạt cho

chúng tôi những tri thức và dạy cho chúng tôi những bài học làm thầy, làm người.

Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn và chúc sức khỏe đến hội đồng chấm bảo vệ luận văn tốt

nghiệp chuyên ngành Vật lí lí thuyết, khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm TP.HCM.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến cha mẹ, gia đình đã ủng hộ, động viên tinh thần cũng như tạo mọi

điều kiện thuận lợi tối đa giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả 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 và hạnh phúc đến gia đình, thầy cô và bạn bè.

Xin chân thành cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh ngày 29 tháng 4 năm 2010

Lê Hải Mỹ Ngân

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 Molecular Orbital)

IRC: (Intrinsic Reaction Coordinate)

LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Opt: (Optimization)

PES: Mặt thế năng (Potential Energy Surface)

MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống hiện nay, khoa học dường như đã trở thành một người bạn đồng hành quan

trọng của con người. Với tốc độ phát triển ở mức cấp số nhân, khoa học như một chuyến tàu tốc hành

đưa con người đến với những miền đất tri thức mới lạ. Hiện nay, chiếc tàu đầy “sức mạnh” đó đang

tiến sâu vào giới vi mô cực kì bé nhỏ, trong đó, chiếc hộp bí ẩn về cấu tạo vật chất luôn là một vấn đề

thôi thúc sự quan tâm và kích thích niềm đam mê khám phá của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới.

Mong muốn “nhìn thấu, nhìn rõ” hơn nữa về cấu trúc của các phân tử luôn là một vấn đề hấp dẫn trong

cộng đồng khoa học. Hiện nay, một số phương pháp thường được sử dụng trong lĩnh vực này, có thể kể

đến như: phương pháp quang phổ gồm quang phổ hồng ngoại, quang phổ Raman…;phương pháp

nhiễu xạ gồm nhiễu xạ electron, nhiễu xạ tia X… Tuy nhiên, với các phương pháp này thì thông tin cấu

trúc thu được đều là những thông tin tĩnh, vì độ phân giải thời gian của các phương pháp này lớn hơn

nhiều so với thời gian xảy ra các hiện tượng ở cấp độ phân tử, nguyên tử. Cụ thể, các phân tử thực hiện chuyển động quay trong khoảng thời gian pico giây (1 ps = 10-12 s), sự dao động của các nguyên tử diễn ra trong thang thời gian femto giây (1 fs = 10-15 s) và điện tử chuyển động quanh hạt nhân ở mức atto giây (1 as = 10-18 s); ngoài ra, các phản ứng hóa học thì xảy ra ở thang thời gian femto giây. Do đó,

mong muốn thu nhận các thông tin cấu trúc động của nguyên tử, phân tử luôn thôi thúc các nhà nghiên

cứu trên thế giới. Việc thu nhận được các thông tin này sẽ giúp cho khoa học có “sức mạnh” để can

thiệp vào các quá trình biến đổi của phân tử và các phản ứng hóa học. Đây là một vấn đề có ý nghĩa

thiết thực và quan trọng.

Sự ra đời của các nguồn xung lade siêu ngắn đã mở ra một hướng giải quyết cho bài toán trên.

Kể từ khi được ra đời vào năm 1960 cho đến nay, xung lade đã được phát triển và rút ngắn độ dài một

cách nhanh chóng, và được biết đến như một cuộc chạy đua giữa các nhà khoa học để rút ngắn độ dài

xung lade . Đây là một “cuộc chạy đua tiếp sức” bởi chỉ sau hơn 20 năm kể từ khi xuất hiện, xung lade

đã được rút ngắn tới mức femto giây. Đến năm 2006, nhóm nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm quốc

gia Ý đã chế 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, các xung lade siêu ngắn đã mở ra con đường đầy triển vọng cho các nhà nghiên cứu trong

việc tìm hiểu về thế giới vi mô, trong đó có thể kể đến là việc chụp ảnh phân tử bằng lade siêu ngắn,

quan sát các quá trình trong phân tử ở cấp thời gian femto giây hay theo dõi các quá trình đồng phân

hóa và các phản ứng hóa học. Cụ thể, trên tạp chí Nature ra ngày 16 tháng 12 năm 2004, nhóm nghiên

cứu của nhà khoa học Corkum (Canada) công bố công trình [9] về chụp ảnh phân tử ni-tơ (N2) bằng

phát xạ sóng hài bậc cao (HHG) và đã gây ra sự chú ý trong cộng đồng khoa học. HHG là một hiệu

ứng phi tuyến xảy ra khi lade có cường độ mạnh và xung cực ngắn tương tác với nguyên tử, phân tử.

Do thông tin HHG thu nhận được trong khoảng thời gian femto giây, là cấp thời gian dao động của

phân tử và cũng là cấp thời gian của các phản ứng hóa học, nên các tác giả cho rằng đã thu được thông

tin cấu trúc động của phân tử. Công trình chụp ảnh N2 đã mở đường cho những công trình kế tiếp

nghiên cứu chụp ảnh phân tử sử dụng nguồn sóng hài bậc cao [6]. Ứng dụng của HHG đã không dừng

lại ở đó, trong các công trình [7], [8], các tác giả đã khẳng định theo dõi được quá trình đồng phân hóa

HCN/HNC và quá trình đồng phân hóa acetylen/vinyliden từ nguồn cơ sở dữ liệu HHG thu được do sự tương tác của lade có xung cực ngắn (10 femto giây) và cường độ cực mạnh (~1014W/cm2) với các

phân tử.

Với mong muốn được tiếp cận với một hướng phát triển mới đầy tiềm năng, tác giả đã quyết

định sẽ tìm hiểu về cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao và sử dụng chính cơ chế này để tìm hiểu thông tin

động và quá trình biến đổi của một phân tử có cấu trúc phức tạp hơn so với những nghiên cứu đã tiến

hành, đó chính là các base của phân tử ADN. Sở dĩ tác giả lựa chọn phân tử ADN để thực hiện nghiên

cứu là bởi tính chất cần thiết và “hấp dẫn” của phân tử này.

Axit Deoxyribonucleic (ADN) 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 là môt đại phân

tử 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 photphat. Mỗi nucleotide gồm ba

thành phần: bazơ nitơ (base), đường pentose, nhóm phosphate. Thông tin di truyền chứa trong ADN

được giải mã dưới dạng trình tự sắp xếp của các base. Base trong phân tử ADN là các dẫn xuất hoặc

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 đều chỉ ra rằng mỗi base thường tồn tại dưới hai dạng đồng

phân hỗ biến (tautomer): base adenine và cytosine có hai tautomer là amino (bền) và imino (kém bền),

base thymine và guanine có hai tautomer là keto (bền) và enol (kém bền). Thông thường, các base sẽ

tồn tại trong phân tử ADN dưới dạng tautomer tự nhiên bền (keto và amino). Tuy nhiên trong quá trình

phát triển của sinh vật, dưới một số điều kiện nào đó, đôi khi các base 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 cặp G và

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

thế hệ sau. Quá trình các base bị biến đổi từ dạng tautomer này sang dạng tautomer khác gọi là quá

trình hỗ biến hóa học (tautomerism) [1]. Như vậy quá trình tautomerism chính là một trong những cơ

chế gây đột biến gen, do đó nó đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhóm khoa học trên thế

giới kể cả lí thuyết và thực nghiệm [15]. Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy rằng thời gian của quá

trình tautomerism là vào cỡ femto giây. Do đó, việc thu nhận được thông tin động ở cấp thời gian

femto giây và theo dõi được quá trình tautomerism của các base đã trở thành mục tiêu của các nhà

nghiên cứu trên thế giới.

Trên cơ sở hướng phát triển của ứng dụng HHG và nhu cầu của việc theo dõi quá trình

tautomerism của các base của ADN, tác giả đã quyết định lựa chọn đề tài “Theo dõi quá trình động

học phân tử của adenine bằng lade xung siêu ngắn” cho luận văn tốt nghiệp.

Trong phạm vi một luận văn tốt nghiệp, tác giả đã quyết định lựa chọn phân tử adenine thuộc

base purine, có cấu trúc hai mạch vòng làm đối tượng nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu quá trình

tautomerism của adenine bằng tính toán phổ HHG phát xạ có ưu điểm là có thể xác định được những

sự thay đổi cấu trúc phân tử ở thang thời gian femto giây. Từ đó cung cấp cho các nhà thực nghiệm

một cơ sở lí thuyết để có thể chủ động can thiệp vào quá trình tautomer hóa của base này và từ đó điều

khiển được cơ chế đột biến gen.

Mục tiêu chính của luận văn là sử dụng dữ liệu (HHG) thu được khi cho lade siêu ngắn 5 fs, bước sóng 800 nm, cường độ mạnh 2.1014 W/cm2 tương tác với base adenine để theo dõi quá trình

tautomerism của phân tử này.

Để có thể đạt được kết quả như mong muốn, chúng tôi cần tiến hành từng bước cụ thể sau:

 Tìm hiểu lí thuyết về ADN, các base và quá trình tautomerism;

 Tìm hiểu cơ chế phát xạ HHG và mô hình ba bước Lewenstein;

 Tìm hiểu về phần mềm tính toán Gaussian, Gaussview và ngôn ngữ lập trình Fortran;

 Mô phỏng cấu trúc phân tử và orbital ngoài cùng HOMO của phân tử adenine. So sánh với số

liệu thực nghiệm;

 Mô phỏng quá trình tautomerism của adenine bằng cách tính toán mặt thế năng PES để tìm ra

hai trạng thái bền của phân tử đồng thời mô phỏng đường IRC;

 Tính toán HHG thu được khi cho lade xung 5 fs, cường độ 2.1014 W/cm2, bước sóng 800 nm

tương tác với phân tử;

 Phân tích dữ liệu HHG phụ thuộc góc định phương để phân biệt ba trạng thái của phân tử;

 Phân tích dữ liệu HHG phụ thuộc vào góc định phương và góc cấu trúc để theo dõi quá trình

tautomerism của phân tử này.

Trong thực tế khi cho lade có cường độ mạnh tương tác với phân tử thì có nhiều hiệu ứng phi

tuyến xảy ra, tuy nhiên, trong đề tài này, chúng tôi chỉ chú ý đến hiệu ứng phát xạ HHG. Kể từ khi ra

đời cho đến nay, HHG là một trong những vấn đề gây chú ý đối với nhiều nhóm nghiên cứu trên thế

giới. Thực chất bài toán HHG ở đây chính là giải phương trình Schrodinger phụ thuộc vào thời gian

khi electron chịu tác dụng của trường lade. Trên thực tế, bài toán đã được giải chính xác cho vài phân +. Tuy nhiên do tính chất phức tạp của các phân tử nên không tử đơn giản như H2, hay ion của nó H2

phải lúc nào ta cũng có thể áp dụng phương pháp TDSE để giải quyết bài toán này. Vì vậy yêu cầu đặt

ra là cần có những mô hình vật lí để thực hiện tính toán gần đúng nhưng vẫn giữ được bản chất vật lí

của hiện tượng. Có nhiều mô hình được nêu ra để giải quyết bài toán này và một trong những mô hình

được cộng đồng khoa học hiện nay chấp nhận rộng rãi đó là mô hình ba bước bán cổ điển Lewenstein.

Trong luận văn này, chúng tôi thực hiện thu nhận dữ liệu HHG dựa vào mô hình ba bước này với công

cụ được sử dụng để tính toán là ngôn ngữ lập trình Fortran. Chương trình tính toán phổ HHG trên ngôn

ngữ này được xây dựng 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 này đã được kiểm

chứng qua các công trình đăng trên các 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 kĩ thuật tính toán được sử dụng và xem như

đây là một công cụ cho chúng tôi thực hiện luận văn này. Như đã nêu trong phần nhiệm vụ, để có thể

tính toán được HHG phát ra, chúng tôi cần phải mô phỏng được cấu trúc phân tử adenine. Nhiệm vụ

này được chúng tôi giải quyết bằng cách sử dụng phần mềm Gaussian 03W với mô hình tính toán dựa

trên phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT, có tính đến hiệu chỉnh Gradient B3LYP và hệ

hàm cơ sở 6-31G+(d,p). Bằng phương pháp này chúng tôi đã mô phỏng được ba trạng thái của phân tử

adenine: amino, trạng thái chuyển tiếp và imino. Khi có được các thông tin này, chúng tôi tiến hành

tính toán và 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 các trạng thái nêu trên do hình dạng

HOMO của các trạng thái trên là khá giống nhau. Tuy nhiên điều chúng tôi quan tâm ở đây chính là

quá trình tautomerism của adenine. Vẫn sử dụng phương pháp nêu trên, chúng tôi đã mô phỏng được

quá trình tautomerism của adenine bằng cách tính toán được mặt thế năng cũng như đường phản ứng

hóa học của phân tử này. 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 tautomerism này. Tuy nhiên từ dữ

liệu HHG thu được, chúng tôi nhận thấy chưa thể theo dõi được quá trình tautomerism của adenine bằng dữ liệu HHG thu được khi sử dụng lade 5 fs, 800 nm, 2.1014 W/cm2.

Bố cục luận văn gồm bốn chương chính:

 Chương 1. Cơ sở lí thuyết về ADN

Trong chương này, tác giả 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 với bạn đọc về quá trình hỗ biến hóa học

(tautomerism). Đây là quá trình khi một tautomer của base 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 base

trong ADN sẽ giúp cho bạn đọc 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.

 Chương 2. Tổng quan lade và cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao

Trong chương 2, tác giả sẽ tập trung trình bày về công cụ chính được sử dụng để thu nhận thông

tin của phân tử. Đó chính là cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao – HHG [12].

Trong phần thứ nhất của chương này, tác giả 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 nhập vào rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống, do đó tác giả 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 siêu ngắn. Quá trình

rút ngắn chiều dài xung lade sẽ được tác giả đề cập theo tiến trình thời gian. Kể từ khi được chế tạo lần

đầu tiên, 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 (Femtosecond chemistry). Những nổ lực rút ngắn độ dài của xung lade vẫn

tiếp diễn. Trong những năm gần đây, cuộc chạy đua xung lade siêu ngắn 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 lĩnh vực mới Vật lí thang thời gian atto giây (Attosecond Physics). Ngành

khoa học này đã mở ra những hướng đi mới đầy tiềm năng cho nhiều ngành khoa học khác nhau,

không chỉ riêng vật lí học. Đó chính là một tia sáng hứa hẹn những thay đổi sự hiểu biết của con người

về thế giới vật chất.

Chính sự phát triển của các xung lade siêu 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 xung lade siêu ngắn có cường độ

mạnh, trong đó có hiện tượng phát xạ HHG. 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 trường 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, tác giả sẽ trình

bày về một hệ số quan trọng được phát triển bởi Viện sĩ Keldysh, vì vậy hệ số này được đặt theo tên

ông, 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 cuối cùng

của chương hai sẽ cung cấp cho người đọc những kiến thức cần thiết về cơ chế phát xạ sóng hài bậc

cao. 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 lí 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. Sau đó, 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 của trường lade, chịu tác dụng của trường lade và chuyển động ngược trở

lại. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã chứng minh 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 adenine. Trong phần này, tác giả

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 nay, có thể nói rằng đây chính là một

mô hình “đẹp” về giải thích cơ chế cũng như những đặc tính của hiện tượng phát xạ sóng hài bậc cao.

 Chương 3. Mô hình tính toán

Đề tài không tiến hành những thí nghiệm cụ thể mà dựa vào những chương trình tính toán để

tìm được số liệu HHG phát ra. Vì vậy, trong chương 3, tác giả muốn giới thiệu đến người đọc đôi nét

khái niệm về một mô hình tính toán, và source code thiết lập trên ngôn ngữ Fortran được sử dụng trong

luận văn. Mục đích chính của chương 3 là cung cấp cho người đọc cái nhìn tổng quan về các chương

trình được sử dụng trong luận văn, do đó nội dung chương 3 được trình bày ngắn gọn, đơn giản. Nếu

người đọc muốn tìm hiểu thêm về các chương trình này có thể tham khảo tài liệu [5],[16].

 Chương 4. Kết quả và đánh giá kết quả nghiên cứu

Phần này gồm 4 mục, tác giả trình bày về các kết quả đạt được và đánh giá đối với từng nội

dung.

 Mô phỏng cấu trúc và orbital ngoài cùng (HOMO) của phân tử adenine: Sử dụng Gaussian

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

được thiết lập bởi phương pháp phiếm hàm mật độ DFT hiệu chỉnh Gradient B3LYP và hệ hàm

cơ sở 6-31G+(d,p), tác giả đã mô phỏng cấu trúc tối ưu của phân tử sau đó so sánh với số liệu

thực nghiệm. Có khá nhiều công trình nghiên cứu cả lí thuyết lẫn thực nghiệm đưa ra kết quả

về cấu trúc phân tử các base của ADN, với việc sử các số liệu này để so sánh, tác giả nhận thấy

kết quả đạt được bằng tính toán có độ tin cậy cao (sai số <2%), 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, tác giả đã mô phỏng thành công HOMO của adenine.

 Mô phỏng quá trình tautomerism của phân tử adenine: tác giả sẽ mô phỏng quá trình đồng

phân hóa của adenine chuyển từ trạng thái imino sang amino. Để thực hiện được mục tiêu này,

tác giả cần tính toán mặt thế năng của phân tử adenine cũng như phải mô phỏng được đường

phản ứng hóa học trong quá trình chuyển đồng phân này. Tác giả cũng tính được năng lượng

tương quan của quá trình tautomerism của adenine, và thấy rằng kết quả này phù hợp với kết

quả trong công trình [17].

 Sử dụng dữ liệu HHG thu được để phân biệt ba trạng thái của base adenine trong quá trình

tautomerism: tác giả sử dụng source 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

adenine tương tác với lade xung cực ngắn. Tiến hành phân tích số liệu HHG phụ thuộc góc định

phương để nhận xét về sự khác biệt giữa ba trạng thái của phân tử.

 Theo dõi quá trình tautomerism của phân tử adenine: tác giả thực hiện tính toán cường độ

HHG phát ra khi chiếu lade vào phân tử adenine khi thực hiện quá trình tautomerism. Khảo sát

sự phụ thuộc của cường độ HHG vào góc định phương và góc cấu trúc để nhận xét kết quả theo

dõi quá trình tautomerism được hay không.

Kết luận sẽ là phần cuối của luận văn. Trong phần này, tác giả sẽ tóm tắt lại các kết quả đã đạt

được, và đề xuất hướng phát triển cho đề tài vì hiện nay bài toán HHG về thu nhận thông tin cấu trúc

động của phân tử và các quá trình đồng phân hóa đang thu hút được sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu

trên thế giới.

Chương 1. Cơ sở lý thuyết về ADN

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 năm 1869 – là cơ sở vật chất di truyền ở cấp độ phân tử.

1.1.1 Thành phần

ADN là đại phân tử, 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 deoxyribonucleotide nối với nhau bằng liên

kết photphat. Mỗi nucleotide gồm một nucleoside liên kết với gốc photphat.

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 phosphate 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). Đối

với phân tử ADN thì nucleotide thuộc loại deoxyribo nên được gọi là deoxyribonucleotide. Cấu tạo của

một đơn phân nucleotide được thể hiện như hình 1.1.

Hình 1.1: Công thức cấu tạo của Nucleoside và Nucleotide.

Chuỗi polynucleotide là một dãy 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 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.

Như vậy thành phần cơ bản của ADN chính là các nucleotide. Mỗi nucleotide gồm 3 thành phần

như sau:

 Base (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 (xuất hiện trong ARN)

và deoxyribose (xuất hiện trong ADN). Các nguyên tử carbon của pentose được quy ước đánh số

có dấu phẩy để tránh nhầm lẫn với các số trong base.

 Axit Phosphoric: Là một tri axit, hai trong số 3 chức axit được este hóa trong phân tử ADN và

ARN.

Thành phần cấu tạo của ADN được thể hiện rõ ràng qua hình vẽ 1.2:

Hình 1.2: Thành phần cấu tạo của ADN.

Hình 1.3: Các base của ADN.

Mỗi loại bazơ nitơ có hai tautomer (đồng phân hỗ biến): 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 1.4: Các base và các tautomer tương ứng.

1.1.2 Cấu trúc

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

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.

Hình 1.5: Cấu trúc không gian của ADN.

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 sợi kia theo quy luật bổ sung nghiêm ngặt: A liên kết với

T bằng hai liên kết hydro, G liên kết với C bằng ba liên kết hydro. 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, mỗi phân tử gồm hai mạch đơ(cid:1)(cid:3)polynucleotide, liên kết với nhau qua

liên kết hydro giữa các nucleotide đối diện trên hai mạch theo nguyên tắc bổ sung.

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. 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.

Hình 1.7: Cấu trúc song song ngược chiều hay đối song song của AND sợi kép.

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 giống nhau hoàn toàn, một mạch cũ có nguồn

gốc từ phân tử ADN gốc gọi là mạch khuôn và một mạch mới được tổng hợp. 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 đã 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 đột 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 trọng 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 lỗi sao chép ADN

Như đã trình bày, trong phân tử ADN các base tồn tại dưới hai dạng tautomer (bền và kém bền).

Thông thường các base sẽ tồn tại ở dạng tautomer tự nhiên bền. Tuy nhiên dưới một số điều kiện nào

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

biến hóa học (tautomerism). 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, 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). 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 1.9: 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 đột biến dịch khung. Nghĩa là một 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 được nghiên cứu đều thuộc dạng đột

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

Hình 1.10: Các dạng hỗ biến của các base trong ADN. (A) Các dạng amino (phổ biến) của adenine và

cytosine có thể biến đổi thành các dạng imino; và (B) các dạng keto (phổ biến) của guanine

và thymine có thể sắp xếp lại thành các dạng enol. Các mũi tên biểu thị sự dịch chuyển vị trí

nguyên tử hydro. R là gốc đường và phosphate.

1.4.2 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 -CH3 hoặc -C2H5 … 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 (-NH2) 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 zhypoxanthine có

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

purine nhưng bình thường chỉ có mặt trong phân từ RNA) sẽ liên kết với adenine thay vì với

guanine. Guanine thì chuyển thành xanthine nhưng xanthine thì vẫn 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...

Chương 2. Tổng quan về lade và cơ(cid:3)(cid:4)(cid:5)ế phát xạ HHG

2.1 Lí 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 cờ 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 đề 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 (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 thuật 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 bản 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 thấy đây chính là nguồn “ánh sáng kì diệu” mở ra những ứng dụng thật sự

mới mẻ trong khoa học. Ông cũng giới 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 thiết bị lade gồm có 3 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 sắc khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau. Đây là tính

chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có được.

 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 bức xạ xung. 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 siêu ngắn

Hiện nay, bài toán tìm hiểu cấu trúc của các vật thể vi mô luôn là một trong những “ẩn số” thu

hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong cộng đồng khoa học. Một số phương

pháp phổ biến hiện nay có thể đề cập đến đó là phương pháp phân tích quang phổ như quang phổ hồng

ngoại, quang phổ tia cực tím, quang phổ Raman…, hoặc phương pháp nhiễu xạ electron, nhiễu xạ tia

X. Như chúng ta đã biết, các hiện tượng ở bên trong nguyên tử, phân tử xảy ra theo một thang thời gian

rất đặc trưng và nhỏ hơn nhiều so với thang đo thông thường trong cuộc sống của chúng ta. Trong khi

đó, độ phân giải thời gian trong các phương pháp quang phổ, hoặc nhiễu xạ thì lớn hơn rất nhiều lần so

với thời gian diễn ra sự vận động trong nguyên tử, phân tử. Vì vậy, khi sử dụng các phương pháp ta

trên sẽ chỉ thu nhận được các thông tin tĩnh về cấu trúc phân tử. Bài toán mới được đặt ra cho các nhà

nghiên cứu là phải xây dựng được những phương pháp mới có khả năng thu nhận thông tin cấu trúc

động của phân tử trong khoảng thời gian gắn liền với sự chuyển động ở cấp độ nguyên tử, phân tử.

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,

xung lade đã được rút 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... Ngưỡng xung lade femto giây tưởng chừng như là một bức tường vững chắc

trong cuộc chạy đua “xung lade siêu ngắn”, song trong thập kỉ này, 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 vài năm

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. 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 Vật lí học thang thời gian atto giây (Attosecond Physics). Ngành khoa học mới này đã làm bùng nổ

vật lí học và cả hóa 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 tờ báo khoa học tên tuổi trên thế giới đã nêu sự

phát triển của xung atto giây là 1 trong 10 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 tác giả 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 mang 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).

 Sự phát các sóng hài bậc cao HHG.

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 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 (khoảng 103 V/cm) so với cường độ điện trường trong phân tử, nguyên tử (khoảng 107 V/cm đến 109 V/cm). Khi bức xạ truyền qua một môi trường vật chất, thì vectơ phân cực

điện P là một hàm tuyến tính theo 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. Cường độ điện trường của lade (từ 105 V/cm đến 109 V/cm) xấp xỉ hoặc mạnh hơn so với trường 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 P và điện trường E .

2.2.2 Tương tác giữa trường lade và nguyên tử

2.2.2.1 Trường lade yếu so với trường Coulomb (trường hợp nhiễu loạn)

Khi trường lade tương đối yếu hơn so với trường Coulomb trong nguyên tử thì nó chỉ có tác

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 bình

aE ) gọi là sự dịch chuyển Stark (ac Stark shift). Lúc này hiệu ứng

phương biên độ điện trường lade (

phi tuyến có thể xét như hiệu ứng nhiễu loạn, và các nhà khoa học đã sử dụng lí 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 của 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.

2.2.2.2 Trường lade tương đương hoặc mạnh hơn trường Coulomb (vùng trường mạnh):

Khi trường lade tương đương hoặc mạnh hơn so với trường Coulomb trong nguyên tử, phân 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 Ip (thế ion hóa của điện tử). Trong vùng này lí 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 ngoài cùng

  ( ).E t r

tại thời điểm t sẽ có dạng:

V(r) = V0(r) + e.

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

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 tử 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 t0 và trường

lade phân cực tuyến tính dọc theo trục z với độ mạnh của trường điện là E(t)=E0sinωt, lúc này, ta có

.. m z

t eE( )

 

t

eE sin 0

thể giải ngay phương trình Newton cho electron chuyển động trong trường lade:

z t ( )

sin(

)

) cos(

)



(     



t 

Nghiệm của phương trình có dạng:





eE 0 2 m 

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

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

. z t ( )

v t ( )

cos(

)



t )     

Khi đi vào miền liên tục electron có một vận tốc trôi là vD=-αωcos(ωt0) với biên độ

αω=eE0/(mω). Từ đây chúng ta thấy rằng giá trị và hướng của vận tốc trôi phụ thuộc vào thời điểm

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

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

2 [cos (

) cos(

)]



2 2 

t 

) 2 cos( 

t 

2 ) cos ( 

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 được

U p 

2 2 Ee 0 2 4 m

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 điện trường

của trường lade, cũng biến thiên theo thời gian, E0(t)=E0sinω0t, với E0 là cường độ 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 p. 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 p 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 p nhỏ, chứa vài chu

kì, cường độ trường lade được tạo ra sẽ lớn hơn và khi đó sự tương tác trong 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, tác giả sẽ sử dụng xung lade 5 fs để khảo sát sự

tương tác giữa lade và bazơ nitơ adenine 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 Viện sĩ





p   U 2

eE 0

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

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

ω là tần số của xung lade

E0 là cường độ đỉnh của xung lade

Up là thế trọng động của electron

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

thuộc vào thế ion hóa Ip.

Trong trường hợp của nguyên tử hydro và trong hệ SI, Ip = 13.6eV, với lade có bước sóng

800nm và mật độ công suất là 1014 W/cm2 thì γ≈1.

 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 nhiều 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 HHG

2.3.1 Giới thiệu về HHG

Sự tương tác giữa các xung lade mạnh, cực ngắn, phân cực thẳng với nguyên tử (Mc Pherson et

al., 1987; Li et al., 1989; Sarukura et al., 1991; Crane et al., 1992; Faldon et al., 1992; Kondo et al.,

1993; L’Huillier and Balcou, 1993; Macklin et al., 1993; Perry and Crane, 1993; Wahlström et al.,

1993; Tisch et al., 1994; Myazaki and Takada, 1995), với các đám nguyên tử (Donelly et al., 1996; Hu

and Xu, 1997) và với các phân tử (Ivanov and Corkum, 1993; Liang et al., 1994) gây ra sự phát các

bức xạ điều hòa có tần số gấp nhiều lần tần số trường lade ban đầu (các sóng hài bậc cao) trong vùng

XUV (Extreme Urtraviolet) hoặc vùng tia X mềm (Soft X-rays) 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

lí 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 Lewenstein

Yêu cầu của bài toán tính toán phổ HHG là giải phương trình Schrodinger 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 trình 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 hiện nay chỉ dừng lại + [18]. Vì vậy, một yêu cầu đặt ra trong việc nghiên cứu về HHG trong giai cho H2 hay ion của nó H2

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 sóng hài bậc cao 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 (năng 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

sóng hài là không đáng kể.

Khi bị chiếu xung lade có cường độ mạnh, 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 một sóng hài có tần số ω (là một bội số



  





E k

của tần số ω0 của lade chiếu vào)

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

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 dao 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=k.Up. Năng lượng quay trở lại của electron tại thời điểm t1, Ek có thể đạt giá trị cực

3,17







   max

E k

đại là Ek= 3,17 Up. Như vậy photon phát ra có năng lượng cao nhất là

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 3,17Up +Ip, do đó ta

3,17





max

 0

sẽ có bội số lớn nhất của tần số giới hạn vùng plateau là:

Ta có dạng đồ thị của phổ sóng hài bậc cao HHG theo lí thuyết:

Hình 2.11: Dạng đồ thị cường độ sóng hài phụ thuộc tần số (bậc của HHG).

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 của sóng hài tại tần số  có thể viết tách biệt

ra như sau:

 arg[d(



 4 ( )       )]   

a k [ (

  r er ( )(

) exp[

 d r



( )] 

  

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

 )]   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,

tác giả đã dùng chương trình AT-code mô phỏng HHG trên ngôn ngữ Fortran và thu được kết quả đối

với phân tử adenine.

Theo mô hình Lewenstein đã được 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 lí 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

Mô hình tính toán (computational model) 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 tính toán hoàn chỉnh bao gồm hai “thành phần” cần thiết:

 Một phương pháp tính toán.

 Một hệ hàm cơ sở.

Trong luận văn này, tác giả sẽ sử dụng phần mềm Gaussian để thực hiện việc tính toán cấu trúc

và HOMO của phân tử. Đồng thời sử dụng source code Fortran dựa trên mô hình ba bước Lewenstein

để tính toán cường độ sóng hài phát ra.

3.1 Giới thiệu về phần Gaussian

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

của ông tại trường đại học Carnegie-Mellon. Nguồn gốc của tên gọi 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, đã có 19 phiên bản Gaussian được phát triển từ phiên bản đầu tiên là Gaussian70, Gaussian76,

Gaussian77, Gaussian78, 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 nhập liệu 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 tùy theo nhu cầu cụ thể. Chức

năng tính toán của Gaussian rất đa dạng bao trùm lên nhiều chuyên nghành khác nhau của hóa lượng

tử. Với những từ khóa cụ thể người dùng sẽ quy định cho Gaussian tính toán công việc theo 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 trúc (Geometry Optimization) là việc tìm ra cấu trúc của một nguyên tử, phân

tử ứng với 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 một bề mặt mà mỗi điểm trên bề mặt đó sẽ tương

ứng với một cấu hình của phân tử. Việc tính toán mặt thế năng được quy định bởi từ khóa Scan trong

Gaussian. Thực chất đây là việc tính toán năng lượng ứng với các 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 sự biến thiên năng

lượng của phân tử trong quá trình chuyển từ đồng phân này sang một đồng phân khác. Đường phản

ứng hóa học được tính toán dựa trên nguyên lý cực tiểu năng lượng. 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.

3.1.2 Phương pháp tính toán

Gaussian cung cấp cho người dùng một hệ thống phương pháp tính toán rất hoàn thiện như

Hartree Fock, phương pháp lý thuyết nhiễu loạn, phương pháp bán nghiệm, phương pháp phiếm hàm

mật độ…. Trong đề tài này chúng tôi sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT). Năm 1998, nhà

vật lý W. Kohn nhận giải Nobel cho công trình lý thuyết DFT. Lý thuyết này được hình thành 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, đặc biệt áp dụng vào hệ vi mô. 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 orbital được sử dụng để thực hiện tính toán về lý

thuyết. Hệ hàm cơ sở lớn hơn sẽ có tính chính xác hơn, gần đúng hơn đối với các orbital 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 orbital 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 orbital.

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 Gauss đơn được gọi là không rút gọn.

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

r  



g  ( , ,

l m n x y z Ne ,

, )

, ;

l m n x y z

Trong đó: N là hệ số chuẩn hóa  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

r  

 , 



2  

   

  

1 4

r  

 , 



q e 1

q 1

5 182  3 

   

  

1 4

r  

 , 



q q e 1 2

q q 1 2

7 2048  3 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. 1

Với

3.1.4 Cấu trúc nguyên tử, phân tử

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

Vì quá trình tautomerism của adenine xảy ra trong khoảng thời gian 20-30 fs nên chúng tôi sử dụng lade 800 nm, 2.1014 W/cm2, với xung cực ngắn 5 fs và cho tương tác với phân tử adenine theo sơ

đồ:

Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm mô phỏng.

Trên thực tế, lade luôn tương tác với không chỉ một mà là 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.

Việc định phương phân tử thường được thực hiện bằng cách: sử dụng lade có cuờng độ yếu (~1012W/cm2) chiếu vào phân tử thì 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 lớn 2.1014 W/cm2 vào phân tử, khi đó HHG sẽ phát ra. Ta đặt thiết bị thu tín hiệu HHG theo cùng

phương truyền của lade vào và chỉ đo các HHG phát ra phân cực song song và vuông góc với lade

chiếu vào (từ đây sẽ gọi là HHG song song và HHG vuông góc). Gọi  là góc hợp bởi phương của

vectơ phân cực của lade và trục phân tử. Trục phân tử trong mô hình này được chọn là cùng phương

với mối liên kết N1-C2. Chúng ta lần lượt thay đổi giá trị góc  và đo HHG phát ra ứng với các góc

định phương này.

Chương 4. Kết quả

4.1 Kết quả mô phỏng cấu trúc và HOMO của phân tử adenine

Adenine có hai dạng tautomer: amino và imino. Trong phần này, chúng tôi sẽ xây dựng lại cấu

trúc tối ưu và HOMO của hai tautomer cùng với cấu trúc chuyển tiếp trong quá trình tautomersim của

phân tử.

Phương pháp xác định cấu trúc tối ưu hóa của một phân tử được gọi là tối ưu hóa cấu trúc. Mục

đích của việc tối ưu hóa là để tìm ra một cách sắp xếp các nguyên tử sao cho phân tử đạt trạng thái bền

nhất. Phân tử đạt trạng thái bền nhất khi năng lượng của nó cực tiểu. Do đó, để tối ưu hóa cấu trúc của

một phân tử, ta phải tính năng lượng của hệ tương ứng với các thông số cấu trúc của hệ như chiều dài

liên kết, góc liên kết và kiểm tra xem trạng thái nào đạt giá trị năng lượng nhỏ nhất. Trong Gaussian, ta

có thể xây dựng cấu trúc hình học giả định của phân tử, sau đó sẽ chạy chương trình và cho ta một cấu

trúc hình học mới phù hợp hơn. Chúng tôi đã sử dụng mô hình tính toán thiết lập gồm phương pháp lý

thuyết phiếm hàm mật độ DFT với hệ hàm cơ sở 6-31G+(d,p). Để thiết lập cấu trúc giả lập ban đầu của

phân tử, tác giả sử dụng phần mềm Gaussview.

Sau khi chạy tối ưu hóa cấu trúc phân tử, tác giả sẽ thu được các thông tin cấu trúc như góc,

khoảng cách giữa các hạt nhân trong phân tử. Kết quả mô phỏng cấu trúc adenine đã tối ưu hóa được

thể hiện bằng hình vẽ sau đây.

(a) (b) (c)

Hình 4.1: Ba trạng thái của phân tử adenine: (a) Trạng thái imino; (b) Trạng thái chuyển tiếp; (c)

Trạng thái amino.

Để có thể thấy được 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 adenine ở trạng thái amino.

Bảng: So sánh kết quả các thông số cấu trúc của adenine

Khoảng cách Thực nghiệm. Gaussian 03W Sai số (%)

Tán xạ tia X (Å) DFT/6-31G+(d,p) (Å)

N1-C2 1.339 1.344 0.373

C2-N3 1.331 1.337 0.451

N3-C4 1.344 1.339 0.372

C4-C5 1.383 1.399 1.157

C5-C6 1.406 1.412 0.427

C6-N1 1.351 1.346 0.370

C5-N7 1.388 1.386 0.144

N7-C8 1.311 1.312 0.076

C8-N9 1.373 1.381 0.583

N9-C4 1.374 1.378 0.291

C6-N10 1.335 1.354 1.423

Góc Thực nghiệm (độ) Gaussian 03W (độ) Sai số (%)

C6-N1-C2 118.6 118.649 0.041

N1-C2-N3 129.3 128.558 0.574

C2-N3-C4 110.6 111.392 0.716

N3-C4-C5 126.8 126.772 0.022

C4-C5-C6 117.0 115.977 0.874

C5-C6-N1 117.7 118.651 0.808

C4-C5-N7 110.7 111.335 0.574

C5-N7-C8 103.9 104.104 0.196

N7-C8-N9 113.8 113.273 0.463

C8-N9-C4 105.8 106.768 0.915

Dựa vào bảng trên, tác giả nhận thấy giá trị sai số lớn nhất của cấu trúc mô phỏng và cấu trúc

thu từ thực nghiệm có giá trị lớn nhất là 1.437%. Đây là giá trị cho phép trong vật lí, điều này cho thấy

phương pháp sử dụng để mô phỏng là đáng tin cậy và sẽ được sử dụng cho các bước nghiên cứu kế

tiếp.

Từ đây, tác giả nhận thấy có thể sử dụng mô hình hóa học tính toán như sau để tiến hành nghiên

cứu luận văn:

 Phương pháp tính toán: DFT sử dụng hiệu chỉnh Gradient (B3LYP)

 Hệ hàm cơ sở: 6-31G+(d,p)

Theo mô hình 3 bước Lewenstein, lade chỉ tương tác với HOMO của phân tử và phát xạ HHG

do đó ta cần có những thông tin về HOMO của phân tử. Từ cấu trúc được tối ưu hóa của adenine, tác

giả tiếp tục sử dụng phương pháp trên để có được thông tin về HOMO của phân tử adenine. Sau đây là

hình ảnh HOMO của các trạng thái:

(a) (b) (c)

Hình 4.2: HOMO ba trạng thái của phân tử adenine: (a) Trạng thái imino; (b) Trạng thái chuyển

tiếp; (c) Trạng thái amino.

Từ hình ảnh HOMO của ba trạng thái dễ dàng nhận thấy HOMO của ba trạng thái gần như

giống nhau hoàn toàn, không thể phân biệt rõ ràng được. Sử dụng các cấu trúc đã tối ưu hóa này, chúng

tôi tiến hành mô phỏng quá trình tautomerism của phân tử bằng cách tính toán mặt thế năng và đường

phản ứng hóa học của phân tử.

4.2 Kết quả mô phỏng quá trình tautomerism của phân tử adenine

Quá trình hỗ biến hóa học (tautomerism) của các base trong phân tử ADN xảy ra khi có sự dịch

chuyển của nguyên tử hydro từ vị trí cân bằng này sang vị trí cân bằng khác. Đối với adenine, sự hỗ

biến hóa học xảy ra khi có sự thay đổi giữa hai trạng thái amino (bền) và imino (kém bền). Trong phần

nghiên cứu này, tác giả sẽ mô phỏng quá trình hỗ biến hóa học khi adenine chuyển từ trạng thái imino

sang amino. Để thực hiện được mục tiêu này, tác giả sẽ tiến hành khảo sát mặt thế năng của phân tử

adenine và mô phỏng đường phản ứng hóa học trong quá trình này.

Để khảo sát mặt thế năng của adenine, tác giả lần lượt thay đổi vị trí của nguyên tử hydro H-15

trong không gian bằng cách thay đổi giá trị khoảng cách C6-H15 (R) và góc N1-C6-H15 (góc cấu trúc

θH) để khảo sát được một vùng không gian trong đó nguyên tử H-15 có thể tồn tại. Kết quả thu được

thể hiện ở hình 4.5.

Hình 4.3: Góc cấu trúc và khoảng cách được sử dụng để xét quá trình tautomerism của phân tử

adenine.

Hình 4.4: Mặt phẳng thế năng của phân tử adenine.

Trên mặt thế năng của phân tử adenine ta nhận thấy có một vị trí cực tiểu địa phương (R≈1.87Ǻ, H≈300) vị trí này hoàn toàn trùng khớp ứng với trạng thái imino, một vị trí yên ngựa (R≈1.61Ǻ, H ≈53.40) tương ứng với trạng thái chuyển tiếp và một vị trí cực tiểu toàn cục (R≈2.07Ǻ, H ≈940) ứng

với trạng thái amino. Như vậy hai trạng thái amino và imino là hai trạng thái bền và do có năng lượng

bé hơn nên trạng thái amino sẽ là trạng thái bền hơn. Quan sát đường mô phỏng phản ứng hóa học trên

mặt thế năng tác giả nhận thấy đường này sẽ đi qua các trạng thái có năng lượng là cực trị trên mặt thế

năng. Điều này hoàn toàn phù hợp với nguyên lý cực tiểu năng lượng. Dựa vào đồ thị mô phỏng đường

phản ứng hóa học, ta nhận thấy năng lượng tương quan trong quá trình đồng phân hóa giữa hai trạng

thái imino và amino là 0,53eV; giữa trạng thái chuyển tiếp và amino là 2,1 eV.

Năm 1935 Eyring đưa ra định đề đường phản ứng hóa học là đường chuyển động duy nhất đi

qua đỉnh mặt yên ngựa (saddle - point) trên mặt thế năng (PES) xác định diễn biến của một phản ứng

hóa học. Đường này được xác định là đường nối các điểm mà tại đó năng lượng của hệ đạt cực tiểu

MERP ứng với mỗi cấu trúc. Năm 1981 K. Fukui đưa ra khái niệm IRC (Intrinsic Reaction

Coordinate) là một đường cong thể hiện chuyển động của một hệ nguyên tử trên mặt thế năng (PES),

thực chất nó là đường đi xuống từ trạng thái chuyển tiếp theo hai hướng tới phân tử tham gia phản ứng

và phân tử tạo thành. Trong Gaussian, ta dùng Job type IRC bằng phương pháp phiếm hàm mật độ

DFT với hệ hàm cơ sở 6-31G+(d,p) để đã mô phỏng được đường phản ứng hóa học trong quá trình

adenine. của tautomerism

Hình 4.5: Mô phỏng đường phản ứng hóa học của adenine.

4.3 Kết quả sử dụng cơ chế phát xạ sóng hài để phân biệt các trạng thái của phân tử

adenine

Để có thể phân biệt được các trạng thái này, tác giả lần lượt cho lade chiếu vào từng trạng thái; ứng với mỗi trạng thái, tác giả thay đổi các góc định phương khác nhau từ 00 đến 900 và thu được HHG

từ sự tương tác này. Kết quả thể hiện bằng hình vẽ như sau cho đồng phân amino-adenine.

Hình 4.6: Cường độ HHG theo các góc định phương khác nhau của amino-adenine.

Quan sát đồ thị, ta nhận thấy cường độ HHG phụ thuộc góc định phương theo cả hai phương

song song và vuông góc đều có những điểm chung. HHG phát ra chỉ ở có tần số bằng số nguyên lẻ lần

11

thì cường độ HHG phát ra rất lớn, biến thiên liên tần số lade chiếu vào. Ở vùng tần số thấp 

tục, không ổn định, hơn nữa trong vùng đó mô hình tính toán của chúng ta không còn chính xác, do đó

dữ liệu HHG thu được trong vùng này xem như không có giá trị. Sau đó, đồ thị có dạng gần như bằng

33 (ta gọi là cutoff [8]). Sau đó với

33 thì cường độ HHG giảm nhanh về không và mô

phẳng trong một vùng tần số nhất định (ta gọi là miền phẳng). Miền này kết thúc tại ngưỡng tần số

nhất định

33 

hình tính toán Lewenstein cũng không còn chính xác, do đó dữ liệu HHG chỉ có giá trị trong miền

phẳng với tần số trong khoảng 11 .

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 4.7: Sự phụ thuộc cường độ HHG vào góc định phương với các bậc cụ thể: 19 (màu đen), 21

(màu đỏ), 23 (màu xanh lá), 25 (màu xanh đậm).

Với các trạng thái của adenine, HHG song song ứng với một bậc cụ thể đạt cực đại tại vị trí giá trị góc theta vào khoảng 350-400 còn HHG vuông góc phát ra đại cực trị tại hai vị trí góc theta vào khoảng 350-400 và 650-700. Thêm vào đó, dáng điệu của đồ thị là hoàn toàn như nhau với cùng một bậc

HHG theo cùng một phương với cả 3 trạng thái. Do đó với phương pháp này, ta chưa thể phân biệt

được các trạng thái này.

Nguyên nhân của hiện tượng này xuất phát từ việc HOMO của các trạng thái này khá giống

nhau về mặt hình dạng. Theo mô hình Lewenstein thì chỉ có lớp điện tử ngoài cùng (HOMO) tương tác

với lade và phát ra HHG. Ở đây, phân tử adenine gồm 15 nguyên tử, trong đó nguyên nhân chính của

quá trình hỗ biến hóa học là sự dịch chuyển của nguyên tử hydro H-15 từ vị trí liên kết với nguyên tử

N-10 sang vị trí liên kết với N-1. Nguyên tử hydro có AO không đáng kể so với toàn bộ HOMO của

phân tử, do đó sự đóng góp của hydro vào HOMO của adenine là rất nhỏ, ta có thể thẩy rõ điều đó trên

hình ảnh biểu diễn HOMO của phân tử. Từ đó, ta nhận thấy việc dáng điệu của đồ thị giống nhau là

hoàn toàn hợp lý.

Như vậy phương pháp khảo sát cường độ HHG phụ thuộc vào góc định phương sử dụng mô

hình 3 bước Lewenstein để phân biệt các trạng thái khác nhau của phân tử nên được thực hiện với các

phân tử mà sự đóng góp của nguyên tử gây nên quá trình đồng phân hóa vào HOMO của phân tử là

đáng kể.

4.4 Kết quả theo dõi quá trình tautomerism của adenine

Sau khi mô phỏng được quá trình hỗ biến hóa học của phân tử adenine, cùng với thông tin thu

được về sự thay đổi cấu trúc phân tử trong quá trình này, tác giả đã có đủ cơ sở để tiến hành theo dõi

động học phân tử quá trình hỗ biến của adenine bằng cơ chế phát xạ HHG theo mô hình ba bước

Lewenstein. Nếu việc theo dõi thành công thì việc can thiệp và điều khiển quá trình tautomerism của

adenine sẽ có thể trở thành hiện thực trong tương lai gần. Với mô hình thí nghiệm như ban đầu, trong

suốt quá trình tautomerism của adenine, tác giả liên tục chiếu lade vào các phân tử và thu sóng hài phát

ra với hi vọng có thể theo dõi được quá trình này.

Quá trình tautomerism của adenine từ trạng thái imino sang amino được mô tả như hình vẽ sau:

Hình 4.8: Quá trình tautomerism của phân tử adenine. Đường mũi tên màu xanh chỉ quá trình dịch

chuyển của nguyên tử H15.

Theo hình vẽ trên, trong quá trình này thì nguyên tử H15 nhận được năng lượng bức khỏi mối

liên kết với N1, sau đó chuyển động về hướng nguyên tử N10. Trong quá trình đồng phân hóa này

phân tử sẽ đi qua trạng thái chuyển tiếp và quá trình kết thúc khi liên kết H15-N10 được hình thành và

tạo thành trạng thái cân bằng bền qmino. Do đó để đặc trưng cho quá trình đồng phân hóa này chúng ta

có thể đặc trưng bằng vị trí của H15 trong không gian. Tác giả thực hiện khảo sát HHG phát ra phụ

thuộc vào góc định phương và góc cấu trúc θH N1-C6-H15.

Hình 4.9: Góc cấu trúc để khảo sát HHG phát ra trong quá trình tautomerism của adenine.

Dựa vào cấu trúc phân tử đã tối ưu hóa, góc cấu trúc đối với trạng thái imino là ≈26,60; đối với trạng thái chuyển tiếp là 49,30; đối với amino là 93,40. Sau khi thu nhận tín hiệu HHG, ta có đồ thị

cường độ HHG phụ thuộc vào góc cấu trúc và góc định phương trong suốt quá trình tautomerism của

adenine:

Hình 4.1: Đồ thị cường độ HHG phụ thuộc vào góc định phương và góc cấu trúc trong quá trình

tautomerism của adenine ứng với bậc 23.

Quan sát hình 3.11 ta nhận thấy trong cả quá trình tautomerism, HHG song song cực đại trong vùng góc cấu trúc vào cỡ 350-400, góc định phương vào cỡ 350-400. Với HHG vuông góc cực đại trong vùng góc cấu trúc vào cỡ 350-400, góc định phương vào cỡ 650-700. Vị trí cực đại này không phù hợp

với góc cấu trúc nào của 1 trong 3 trạng thái imino, amino và trạng thái chuyển tiếp của phân tử. Tiến

hành khảo sát đối với các bậc khác trong miền phẳng cũng cho kết quả tương tự. Do đó việc sử dụng

dữ liệu HHG tính toán dựa vào mô hình Lewenstein chưa thể theo dõi được quá trình đồng phân này.

KẾT LUẬN

1. Tác giả 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 sóng hài bậc cao.

 Giới thiệu về mô hình tính toán.

2. Mô phỏng cấu trúc phân tử và cấu trúc vân đạo ngoài cùng (HOMO) của base adenine đồng thời

so sánh cho thấy kết quả phù hợp với số liệu thực nghiệm (sai số khoảng <1%).

3. Mô phỏng được mặt thế năng (PES) của phân tử adenine và chỉ ra được hai trạng thái bền imino và

amino cũng như trạng thái chuyển tiếp.

4. Mô phỏng được quá trình tautomerism của base adenine bằng Gaussian và chỉ ra được năng lượng

chênh lệch giữa hai tautomer là 0,53 eV = 12,2 kcal/mol.

5. Mô phỏng bằng tính toán lý thuyết các phát xạ sóng hài khi cho lade 800nm, 2.1014 W/cm2, 5 fs

tương tác với 3 trạng thái đặc trưng của adenine trong quá trình tautomerism (amino, trạng thái

chuyển tiếp, kém bền) của ADN theo mô hình 3 bước của Lewenstein và kết quả thu được phù hợp

với dạng đặc trưng của HHG. Vẽ đồ thị khảo sát sự phụ thuộc của cường độ HHG theo góc định

phương cho thấy là chưa thể phân biệt được các tautomer của base adenine.

6. Mô phỏng các số liệu phát xạ sóng hài HHG theo góc định phương và góc cấu trúc khi cho lade 800 nm, 2.1014 W/cm2, 5 fs chiếu vào phân tử trong suốt quá trình tautomerism chuyển từ imino -

adenine thành amino - adenine. Tuy nhiên, sau khi khảo sát bằng đồ thị, tác giả nhận thấy kết quả

theo dõi quá trình tautomerism của adenine chưa thể thực hiện được.

HƯỚNG PHÁT TRIỂN

 Mở rộng nghiên cứu cho các base khác.

 Nghiên cứu phương pháp sử dụng sóng hài bậc cao để theo dõi các quá trình chuyển từ base

này sang base khác trong phân tử ADN, hoặc cụ thể là quá trình deamination của cytosine là

quá trình chuyển từ base cytosine thành base 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 họ Tự Nhiên) trang 119-130.

[3] Nguyễn Đăng Khoa, Luận văn thạc sĩ (2008), “Tách thông tin cấu trúc phân tử từ sóng hài bậc

cao sử dụng lade siêu ngắn”, trường Đại học Khoa học tự nhiên TP.Hồ Chí Minh.

[4] Nguyễn Đông Hải, Khóa luận tốt nghiệp (2006), “Lade siêu ngắn vá ứng dụng trong chụp ảnh

phân tử”, trường Đại học Sư phạm TP.Hồ Chí Minh.

[5] Phan Văn Tân (2007), “Ngôn ngữ lập trình Fortran 90”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Hà Nội.

[6] Le Van Hoang, Le Anh Thu, Rui-Hua Xie and Lin C.D. (2007), “Theoretical analysis of dynamic

chemical imaging with laser using high-order harmonic generation”, Physical Review A 76, pp.

013414 – 13.

[7] Ngoc-Ty Nguyen, Bich-Van Tang, and Van-Hoang Le (2010), “Tracking molecular

isomerization process with high harmonic generation by ultrashort laser pulses”, Journal of

Molecular Structure, Theochem Volume 949, Issues 1-3, 15 June 2010, Pages 52-56.

[8] 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 laser pulses”, Communications in Physics 20.

[9] Itatani J., Levesque J., Zeidler D., Niikura H., Pepen H., Kieffer J. C., Corkum P. B., 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 laser 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, pp. 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., (1976) “The Tautomerism of Heterocycles.

Adv.Heterocycl. Chem. Suppl. I”.

[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/bases6.html

Luận văn tốt nghiệp Vật lý: Theo dõi quá trình động học phân tử của adenine bằng lade xung cực ngắn

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THEO DỎI QUÁ TRÌNH ĐỘNG HỌC PHÂN

TỬ CỦA ADENINE BẰNG LADE XUNG

CỰC NGẮN

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

học phân tử của adenine bằng lade xung siêu ngắn” cho luận văn tốt nghiệp.

Chương 1. Cơ sở lý thuyết về ADN

1.1 Thành phần và cấu trúc của ADN

1.2 Chức năng sinh học của ADN

1.3 Quá trình tự nhân đôi ADN

1.4 Đột biến

Chương 2. Tổng quan về lade và cơ(cid:3)(cid:4)(cid:5)ế phát xạ HHG

2.1 Lí thuyết về lade

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

2.3 Sự phát xạ sóng hài bậc cao HHG

 arg[d(

 4 ( )       )]   

 )]   g

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

3.1 Giới thiệu về phần Gaussian

3.2 Giới thiệu về Fortran

3.3 Mô hình thí nghiệm mô phỏng

Chương 4. Kết quả

4.1 Kết quả mô phỏng cấu trúc và HOMO của phân tử adenine

4.2 Kết quả mô phỏng quá trình tautomerism của phân tử adenine

4.3 Kết quả sử dụng cơ chế phát xạ sóng hài để phân biệt các trạng thái của phân tử

adenine

4.4 Kết quả theo dõi quá trình tautomerism của adenine

KẾT LUẬN

HƯỚNG PHÁT TRIỂN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi

Facebook

Youtube

TikTok