Theo dõi quá trình động học phân tử của Adenine bằng lade xung cực ngắn

đình, thầy cơ, nhà trường và bạn bè. Thơng qua luận văn tốt nghiệp, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả mọi người. Đầu tiên tơi xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến Thầy hướng dẫn PGS.TSKH. Lê Văn Hồng đã tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tơi thực hiện và hồn thành luận văn. Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Ngọc Ty đã nhiệt tình chỉ dẫn, giúp đỡ và động viên tơi trong thời gian thực hiện luận văn. Cùng với các bạn sinh viên cùng khĩa, tơi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến tồn thể thầy cơ thuộc khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm TP.HCM trong suốt khĩa học đã truyền đạt cho chúng tơi những tri thức và dạy cho chúng tơi những bài học làm thầy, làm người. Đặc biệt tơi 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. Tơi 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 tơi hồn thành tốt luận văn này. Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thành viên trong nhĩm nghiên cứu cũng như bạn bè đã giúp đỡ, động viên tơi trong thời gian làm luận văn cũng như những năm tháng trên giảng đường đại học. Cuối cùng tơi xin gửi lời chúc sức khỏe và hạnh phúc đến gia đình, thầy cơ 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: Sĩng hài bậc cao (High-order Harmonic Generation) HOMO: Orbital ngồi 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” đĩ đang tiến sâu vào giới vi mơ cực kì bé nhỏ, trong đĩ, chiếc hộp bí ẩn về cấu tạo vật chất luơn là một vấn đề thơi 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 luơn 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, cĩ 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 thơng tin cấu trúc thu được đều là những thơng 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); ngồi ra, các phản ứng hĩa học thì xảy ra ở thang thời gian femto giây. Do đĩ, mong muốn thu nhận các thơng tin cấu trúc động của nguyên tử, phân tử luơn thơi thúc các nhà nghiên cứu trên thế giới. Việc thu nhận được các thơng tin này sẽ giúp cho khoa học cĩ “sức mạnh” để can thiệp vào các quá trình biến đổi của phân tử và các phản ứng hĩa học. Đây là một vấn đề cĩ 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 tốn 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 chĩng, 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, nhĩm nghiên cứu thuộc phịng thí nghiệm quốc gia Ý đã chế tạo thành cơng lade cĩ độ dài xung 130 atto giây. Gần đây nhất, vào tháng 8 năm 2008, xung lade 80 as đã được chế tạo trong phịng thí nghiệm Max-Planck (Đức) và Lawrence Berkeley (Mỹ). Từ đĩ, 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 mơ, trong đĩ cĩ 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 hĩa và các phản ứng hĩa học. Cụ thể, trên tạp chí Nature ra ngày 16 tháng 12 năm 2004, nhĩm nghiên cứu của nhà khoa học Corkum (Canada) cơng bố cơng trình [9] về chụp ảnh phân tử ni-tơ (N2) bằng phát xạ sĩng 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 cĩ cường độ mạnh và xung cực ngắn tương tác với nguyên tử, phân tử. Do thơng 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 hĩa học, nên các tác giả cho rằng đã thu được thơng tin cấu trúc động của phân tử. Cơng trình chụp ảnh N2 đã mở đường cho những cơng trình kế tiếp nghiên cứu chụp ảnh phân tử sử dụng nguồn sĩng hài bậc cao [6]. Ứng dụng của HHG đã khơng dừng lại ở đĩ, trong các cơng trình [7], [8], các tác giả đã khẳng định theo dõi được quá trình đồng phân hĩa HCN/HNC và quá trình đồng phân hĩa acetylen/vinyliden từ nguồn cơ sở dữ liệu HHG thu được do sự tương tác của lade cĩ 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 sĩng hài bậc cao và sử dụng chính cơ chế này để tìm hiểu thơng tin động và quá trình biến đổi của một phân tử cĩ cấu trúc phức tạp hơn so với những nghiên cứu đã tiến hành, đĩ 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 thơng tin di truyền mã hĩa cho hoạt động sinh trưởng và phát triển của tất cả các dạng sinh vật sống bao gồm cả một số virus. ADN là mơt 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, nhĩm phosphate. Thơng 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 cĩ hai tautomer là amino (bền) và imino (kém bền), base thymine và guanine cĩ hai tautomer là keto (bền) và enol (kém bền). Thơng 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 đĩ, đơi khi các base sẽ khơng 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 cĩ thời gian tồn tại rất ngắn nhưng nếu trong thời gian đĩ chúng được huy động vào quá trình tổng hợp ADN thì đột biến sẽ xảy ra. Khi đĩ 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 thơng tin di truyền sẽ khơng 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 hĩa học (tautomerism) [1]. Như vậy quá trình tautomerism chính là một trong những cơ chế gây đột biến gen, do đĩ nĩ đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhĩm 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 đĩ, việc thu nhận được thơng 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, cĩ cấu trúc hai mạch vịng làm đối tượng nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu quá trình tautomerism của adenine bằng tính tốn phổ HHG phát xạ cĩ ưu điểm là cĩ thể xác định được những sự thay đổi cấu trúc phân tử ở thang thời gian femto giây. Từ đĩ cung cấp cho các nhà thực nghiệm một cơ sở lí thuyết để cĩ thể chủ động can thiệp vào quá trình tautomer hĩa của base này và từ đĩ 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 sĩng 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 cĩ thể đạt được kết quả như mong muốn, chúng tơi 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 mơ hình ba bước Lewenstein;  Tìm hiểu về phần mềm tính tốn Gaussian, Gaussview và ngơn ngữ lập trình Fortran;  Mơ phỏng cấu trúc phân tử và orbital ngồi cùng HOMO của phân tử adenine. So sánh với số liệu thực nghiệm;  Mơ phỏng quá trình tautomerism của adenine bằng cách tính tốn mặt thế năng PES để tìm ra hai trạng thái bền của phân tử đồng thời mơ phỏng đường IRC;  Tính tốn HHG thu được khi cho lade xung 5 fs, cường độ 2.1014 W/cm2, bước sĩng 800 nm tương tác với phân tử;  Phân tích dữ liệu HHG phụ thuộc gĩc định phương để phân biệt ba trạng thái của phân tử;  Phân tích dữ liệu HHG phụ thuộc vào gĩc định phương và gĩc cấu trúc để theo dõi quá trình tautomerism của phân tử này. Trong thực tế khi cho lade cĩ cường độ mạnh tương tác với phân tử thì cĩ nhiều hiệu ứng phi tuyến xảy ra, tuy nhiên, trong đề tài này, chúng tơi 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 nhĩm nghiên cứu trên thế giới. Thực chất bài tốn 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 tốn đã được giải chính xác cho vài phân tử đơn giản như H2, hay ion của nĩ H2+. Tuy nhiên do tính chất phức tạp của các phân tử nên khơng phải lúc nào ta cũng cĩ thể áp dụng phương pháp TDSE để giải quyết bài tốn này. Vì vậy yêu cầu đặt ra là cần cĩ những mơ hình vật lí để thực hiện tính tốn gần đúng nhưng vẫn giữ được bản chất vật lí của hiện tượng. Cĩ nhiều mơ hình được nêu ra để giải quyết bài tốn này và một trong những mơ hình được cộng đồng khoa học hiện nay chấp nhận rộng rãi đĩ là mơ hình ba bước bán cổ điển Lewenstein. Trong luận văn này, chúng tơi thực hiện thu nhận dữ liệu HHG dựa vào mơ hình ba bước này với cơng cụ được sử dụng để tính tốn là ngơn ngữ lập trình Fortran. Chương trình tính tốn phổ HHG trên ngơn ngữ này được xây dựng bởi GS. Lin Chii-Dong (Đại Học Kansas, Mỹ) và sau đĩ được phát triển bởi nhĩm các nhà khoa học tại Khoa Vật Lý-Trường ĐHSP.TPHCM. Chương trình này đã được kiểm chứng qua các cơng trình đăng trên các tạp chí Vật lý quốc tế cĩ uy tín. Ở đây, chúng tơi khơng tiến hành viết lại chương trình tính tốn này mà chỉ tiếp thu các kĩ thuật tính tốn được sử dụng và xem như đây là một cơng cụ cho chúng tơi thực hiện luận văn này. Như đã nêu trong phần nhiệm vụ, để cĩ thể tính tốn được HHG phát ra, chúng tơi cần phải mơ phỏng được cấu trúc phân tử adenine. Nhiệm vụ này được chúng tơi giải quyết bằng cách sử dụng phần mềm Gaussian 03W với mơ hình tính tốn dựa trên phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT, cĩ tính đến hiệu chỉnh Gradient B3LYP và hệ hàm cơ sở 6-31G+(d,p). Bằng phương pháp này chúng tơi đã mơ phỏng được ba trạng thái của phân tử adenine: amino, trạng thái chuyển tiếp và imino. Khi cĩ được các thơng tin này, chúng tơi tiến hành tính tốn và đã mơ phỏng được HHG phát ra do sự tương tác này. Khảo sát sự phụ thuộc vào gĩc định phương của phân tử, chúng tơi nhận thấy khơng 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 tơi quan tâm ở đây chính là quá trình tautomerism của adenine. Vẫn sử dụng phương pháp nêu trên, chúng tơi đã mơ phỏng được quá trình tautomerism của adenine bằng cách tính tốn được mặt thế năng cũng như đường phản ứng hĩa học của phân tử này. Khi đã mơ phỏng được đường phản ứng hĩa học này chúng tơi 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 tơi 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 đĩ sẽ giới thiệu với bạn đọc về quá trình hỗ biến hĩa học (tautomerism). Đây là quá trình khi một tautomer của base này bị biến đổi thành dạng tautomer khác hiếm gặp hơn, từ đĩ dẫn đến kết quả bắt cặp sai, và hậu quả là gây đột biến gen. Nắm được những thơng tin khái quát về ADN, hay cụ thể đĩ là sự đột biến do quá trình hỗ biến hĩa học của các base trong ADN sẽ giúp cho bạn đọc thấy được tầm quan trọng và cần thiết trong việc nắm bắt thơng tin cấu trúc động của phân tử ở cấp thời gian femto giây, để từ đĩ cĩ 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 sĩng hài bậc cao Trong chương 2, tác giả sẽ tập trung trình bày về cơng cụ chính được sử dụng để thu nhận thơng tin của phân tử. Đĩ chính là cơ chế phát xạ sĩng 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, cĩ thể nĩi lade là một thuật ngữ rất quen thuộc đối với nhiều người, nĩ đã thâm nhập vào rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống, do đĩ tác giả sẽ khơng đề cập nhiều đến những ứng dụng của nĩ mà thay vào đĩ 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, cơng nghệ lade ngày càng cĩ những tiến triển mang tính chất đột phá. Cường độ lade được tăng lên nhiều lần, song song đĩ 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 Hĩa 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 cĩ những đích đến mới, đột phá và ấn tượng bằng cơng trình của các nhĩm 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, khơng chỉ riêng vật lí học. Đĩ 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 cĩ cường độ mạnh, trong đĩ cĩ hiện tượng phát xạ HHG. Do đĩ, 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 hĩa chỉ cĩ 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 hĩa sẽ xảy ra theo cơ chế xuyên hầm, tức là electron cĩ xác suất xuyên hầm qua rào thế tạo bởi trường Coulomb của nguyên tử và trường lade để đi ra vùng phổ liên tục. Cịn 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 đĩ electron cĩ thể vượt rào thế đi vào vùng liên tục, đĩ chính là sự ion hĩa 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 ơng, hệ số Keldysh. Như vậy khi trường lade tương đối mạnh đối với trường Coulomb của nguyên tử thì electron cĩ thể thốt ra ngồi miền liên tục theo cơ chế xuyên hầm, và một trong những hiện tượng rất đặc biệt đã xảy ra đĩ là sự phát xạ HHG – cơng 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 sĩng hài bậc cao. Được phát hiện lần đầu tiên bởi nhà nghiên cứu M.Ferray (Pháp) vào năm 1988, từ đĩ 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 nĩ. 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 đĩ, 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 gĩc định phương phân tử đĩ [14]. Mặt khác, HHG phát ra ngay tại thời điểm electron tái kết hợp với ion mẹ, sau khi nĩ 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 thơng tin cấu trúc phân tử. Từ đĩ HHG được xem là một cơng 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 mơ hình tính tốn ba bước bán cổ điển được xây dựng bởi Lewenstein (do đĩ mơ hình cịn được gọi là mơ hình Lewenstein) [10]. Cho đến nay, cĩ thể nĩi rằng đây chính là một mơ hình “đẹp” về giải thích cơ chế cũng như những đặc tính của hiện tượng phát xạ sĩng hài bậc cao.  Chương 3. Mơ hình tính tốn Đề tài khơng tiến hành những thí nghiệm cụ thể mà dựa vào những chương trình tính tốn để tìm được số liệu HHG phát ra. Vì vậy, trong chương 3, tác giả muốn giới thiệu đến người đọc đơi nét khái niệm về một mơ hình tính tốn, và source code thiết lập trên ngơn 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 đĩ nội dung chương 3 được trình bày ngắn gọn, đơn giản. Nếu người đọc muốn tìm hiểu thêm về các chương trình này cĩ 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.  Mơ phỏng cấu trúc và orbital ngồi cùng (HOMO) của phân tử adenine: Sử dụng Gaussian mơ phỏng hai đồng phân và cấu trúc chuyển tiếp của phân tử adenine. Với mơ hình tính tốn 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 mơ phỏng cấu trúc tối ưu của phân tử sau đĩ so sánh với số liệu thực nghiệm. Cĩ khá nhiều cơng 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 tốn cĩ độ tin cậy cao (sai số <2%), do đĩ cĩ thể sử dụng số liệu đã cĩ cũng như mơ hình tính tốn đã thiết lập cho các phép tính tốn tiếp theo. Sau đĩ cũng với mơ hình tính tốn này, tác giả đã mơ phỏng thành cơng HOMO của adenine.  Mơ phỏng quá trình tautomerism của phân tử adenine: tác giả sẽ mơ phỏng quá trình đồng phân hĩa của adenine chuyển từ trạng thái imino sang amino. Để thực hiện được mục tiêu này, tác giả cần tính tốn mặt thế năng của phân tử adenine cũng như phải mơ phỏng được đường phản ứng hĩa 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 cơng 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 ngơn ngữ Fortran dựa trên mơ 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 gĩc 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 tốn 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 gĩc định phương và gĩc cấu trúc để nhận xét kết quả theo dõi quá trình tautomerism được hay khơng. Kết luận sẽ là phần cuối của luận văn. Trong phần này, tác giả sẽ tĩm tắt lại các kết quả đã đạt được, và đề xuất hướng phát triển cho đề tài vì hiện nay bài tốn HHG về thu nhận thơng tin cấu trúc động của phân tử và các quá trình đồng phân hĩa 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 hĩa 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: Cơng 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 nhĩm hydroxyl ở đầu C-5' của đường pentose của nucleotide này với nhĩm phosphate tại đầu C-3' của nucleotide nằm vị trí kế tiếp. Mỗi mạch polynucleotide mang tính phân cực: một đầu C-5' mang nhĩm phosphate (hoặc đơi khi là hydroxyl) cịn đầu kia C-3' luơn mang nhĩm 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) – khơng cĩ ở ADN; hoặc của purine, gồm adenine (A) và guanine (G).  Pentose: Cĩ 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 cĩ 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 hĩa 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 cĩ 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; cịn 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 cơng bố mơ hình cấu trúc phân tử axit nucleic. Đây cũng chính là mơ hình cấu trúc ADN ở trạng thái hoạt động phổ biến nhất. Hình 1.5: Cấu trúc khơng 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 cịn 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
polynucleotide, liên kết với nhau qua liên kết hydro giữa các nucleotide đối diện trên hai mạch theo nguyên tắc bổ sung. Để cĩ 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 cĩ thể hình thành các liên kết hydro. Vì lý do này mà cấu trúc ADN gồm một mạch chạy theo chiều 5' → 3', cịn 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 mơ tả. Tùy thuộc vào yếu tố mơi trường xung quanh như độ pH, độ ẩm, hàm lượng muối, tính ưa nước mà phân tử ADN sợi kép cĩ thể xuất hiện các cấu hình khơng 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 vịng xoắn gồm 10 bazơ nitơ cĩ chiều dài 3.4 nm. 1.2 Chức năng sinh học của ADN Ở phần lớn các lồi sinh vật (trừ một số virus) ADN cĩ chức năng là vật chất mang thơng tin di truyền, nên ADN cĩ các đặc tính cơ bản:  Cĩ khả năng lưu giữ thơng tin ở dạng bền vững cần cho việc cấu tạo, sinh sản và hoạt động của tế bào.  Cĩ khả năng sao chép chính xác để thơng tin di truyền cĩ thể được truyền từ thế hệ này sang thế hệ kế tiếp thơng qua quá trình phân bào hay quá trình sinh sản.  Thơng 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 cĩ khả năng biến đổi nhưng những thay đổi (đột biến) chỉ xảy ra ở tần số thấp. 1.3 Quá trình tự nhân đơi ADN Quá trình tự nhân đơi 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 hồn tồn, một mạch cũ cĩ nguồn gốc từ phân tử ADN gốc gọi là mạch khuơn và một mạch mới được tổng hợp. Đĩ là nguyên tắc bán bảo tồn. Trong quá trình tổng hợp mạch mới, mơi trường nội bào phải cung cấp đầy đủ các loại nucleotide khác nhau để tạo liên kết với các nucleotide của mạch khuơn theo nguyên tắc bổ sung. Hình 1.8: Mơ tả quá trình tổng hợp ADN Trong quá trình tổng hợp ADN, nếu cĩ những sai sĩt xảy ra thì thơng 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. Cĩ 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 khơng cụ thể, cĩ thể là do các sai hỏng trong quá trình trao đổi chất trong cơ thể gây nên hoặc do những tác nhân khơng xác định từ mơi trường. Nhìn chung đột biến này xảy ra với một tần số rất thấp, do tế bào cĩ 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 hĩa khác nhau như: tia cực tím, bức xạ ion và nhiều hĩa chất khác... làm cho cấu trúc và trình tự các nucleotide trong phân tử ADN bị thay đổi. Đột biến nhìn chung là cĩ hại và thường ở trạng thái lặn. Tuy nhiên cũng cĩ những đột biến cĩ ý nghĩa quan trọng trong sự tiến hĩa, vì đột biến chính là nguyên liệu sơ cấp của tiến hĩa. Nếu khơng cĩ đột biến thì mọi gen đều tồn tại ở một trạng thái duy nhất, khơng thể tiến hĩa để thích nghi với điều kiện thay đổi của mơi 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). Thơng thường các base sẽ tồn tại ở dạng tautomer tự nhiên bền. Tuy nhiên dưới một số điều kiện nào đĩ, các base vẫn cĩ khả năng chuyển sang dạng tautomer kém bền hơn. Quá trình đĩ được gọi là sự hỗ biến hĩa học (tautomerism). Các dạng hiếm gặp của các purine hay pyrimidine dù cĩ thời gian tồn tại rất ngắn nhưng nếu trong thời gian tồn tại đĩ, chúng được huy động vào quá trình tổng hợp ADN thì đột biến sẽ xảy ra, khi đĩ các cặp bazơ nitơ được hình ._.