Vergleichende Studie von Seleniden und Telluriden von Übergangsmetallen (Nb und Ta) im Hinblick auf ihre katalytische, antimikrobielle und molekulare Andockleistung

Einführung

Übergangsmetallchalkogenide TMCs (mit M =Ti, V, Nb, Ta, Mo, W usw.; C =S, Se, Te) sind vielversprechende Materialien, die für den Einsatz in einer Reihe von Industriebereichen geeignet sind, darunter Elektronik, Energie Umwandlung und Speicherung, Photovoltaik, Thermoelektrik und Katalyse [1, 2] aufgrund ihrer wünschenswerten optischen, elektrischen und elektrochemischen Eigenschaften [3]. In letzter Zeit haben mit Niob und Tantal dotierte Selenide und Telluride aufgrund ihres möglichen Einsatzes in Anwendungen wie Halbleiter, obere Umwandlung von IR in sichtbares Licht [4, 5], Gassensoren [6], Laserdioden, medizinische Diagnostik große Beachtung gefunden , Photodetektoren, Photokatalyse [7], Supraleiter und topologische Isolatoren oder Halbmetalle [8]. Im Allgemeinen existieren Übergangsmetallchalkogenide als MC₂ , MC₃ , und MC₄ Systeme, in denen M als Übergangsmetall bekannt ist und C =S, Se oder Te [9]. Die unteren Selenide und Telluride, MC₂ , haben eine stark geschichtete zweidimensionale (2D) Struktur [10] mit Metallatomen, die sich zwischen den Schichten an oktaedrischen Plätzen befinden [11]. Zweidimensionale (2D) Materialien wie Übergangsmetalldichalkogenide, Graphen (das erste 2D-Material wurde 2004 entdeckt) [12], schwarzer Phosphor und hexagonales Bornitrid [13] wurden aufgrund ihrer einzigartigen elektronischen, strukturellen, optischen und magnetischen Eigenschaften [14]. Auf der anderen Seite MC₃ und MC₄ sind anscheinend nicht geschichtete Strukturen, die in quasi-eindimensionalen Konfigurationen [15, 16] mit unendlichen MC-Ketten kristallisieren. Obwohl die chemische Formel für beide Familien ähnlich zu sein scheint, unterscheiden sie sich strukturell geringfügig voneinander. Diese strukturellen Unterschiede führen zu Variationen in ihren elektrischen Transporteigenschaften [17,18,19]. Ein wichtiges Merkmal von Telluriden, das es in seiner Kristallstruktur, elektronischen Konfiguration und physikalischen Eigenschaften von den Sulfiden und Seleniden unterscheidet, ist die große Ordnungszahl von Te. Der diffusive Charakter der Valenzorbitale [20] von Te und seine kovalentere Natur [21] führt zu einer starken Spin-Orbital(SO)-Kopplung [22]. Materialien mit starker SO-Kopplung sind derzeit von großem Interesse in der Physik der kondensierten Materie [23]. In diesem Zusammenhang ist die Supraleitung in niedrigdimensionalen Quasi(1D)-Telluriden (NbTe₄ ) mit großer Ordnungszahl wird derzeit untersucht [21, 24]. Um der steigenden Nachfrage nach nanostrukturierten Seleniden und Telluriden von TM in verschiedenen Bereichen gerecht zu werden, wurden eine Reihe von Ansätzen zur Synthese dieser Materialien verfolgt, darunter Sol-Gel [7, 25, 26], Elektrospinnen [27], orientierte Anlagerungsprozesse [28 , 29], chemische Gasphasenabscheidung [30], Hochtemperatursynthese auf organischer Lösungsbasis [31], templatgesteuerte Methode [32] und hydrothermale/solvothermale Reaktion [33].

Erhebliche Umweltverschmutzung durch die Toxizität organischer Farbstoffe und Pigmente, die als Abwasser aus verschiedenen Industrien abgeleitet werden, bleibt weltweit eine Hauptquelle für Gesundheitsrisiken. Eine Beseitigung dieser biologisch nicht abbaubaren Abfälle durch konventionelle Wasseraufbereitungsmethoden [7, 34] ist aufgrund ihrer komplexen aromatischen Strukturen, Hydrophilie und Stabilität gegenüber Licht, Chemikalien und Temperatur nicht möglich [35, 36]. Daher hat die Entwicklung effektiver, bequemer und wirtschaftlicher Abbautechniken in letzter Zeit höchste Aufmerksamkeit erhalten [37]. Zur Behandlung farbstoffbelasteter Abwässer wurden bisher verschiedene Verfahren auf der Grundlage physikalischer, biologischer und chemischer Methoden angewandt [38]. Aufgrund der hohen Kapitalkosten, der geringen Effizienz, der Trägheit und des hohen Energieeintrags fehlt diesen Verfahren der praktische Nutzen. Im Gegensatz dazu ist das katalytische Reduktionsverfahren eine bevorzugte Option, da es relativ schnell, kostengünstig und bei niedriger Temperatur behandelt wird [35, 37]. Diesbezüglich sind mehrere Übergangsmetallchalkogenide wie VSe₂ (Photokatalysator und Superkondensator) [39], Yb-dotiertes WTe₃ (ultrakurzer Laser und Verstärker) [40, 41], TaSe₃ (Supraleiter), TaS und NbSe₃ (Halbleiter) wurden in der Literatur beschrieben [7, 27]. An dieser Stelle ist es angebracht darauf hinzuweisen, dass der Untersuchung der katalytischen Reduktion von Methylenblau (MB) mit NaBH₄ . viel weniger Aufmerksamkeit geschenkt wurde durch Verwendung der hier untersuchten Verbindungen.

Im biomedizinischen Bereich sind antimikrobielle Eigenschaften metallischer Komposite seit langem erkannt und für einige der außergewöhnlichsten Innovationen der Medizingeschichte erfolgreich eingesetzt [42, 43]. Unter den Übergangsmetallen werden Ta-Verbindungen als gute antimikrobielle Mittel beschrieben, da sie unreaktiv, nicht toxisch und biokompatibel sind. Während die Forschungen zu Nb-Verbundstoffen, die als biozide Wirkstoffe verwendet werden, ziemlich begrenzt sind [44].

Vor diesem Hintergrund beabsichtigten wir, Selenide und Telluride von Übergangsmetallen (Nb, Ta) zu synthetisieren und eine vergleichende Untersuchung durch Bewertung ihrer katalytischen und antimikrobiellen Eigenschaften durchzuführen. Über eine solche vergleichende Untersuchung ist nach unserem Kenntnisstand bisher nicht berichtet worden. Festkörpertechnik wurde verwendet, um Selenide zu synthetisieren (TaSe₃ , Nb₂ Se₃ ) und Telluride (TaTe₄ , NbTe₄ ) und isolierte Produkte wurden mittels Elementaranalyse, FTIR, Raman, EDS, FESEM, HRTEM und UV-Vis-Spektroskopie charakterisiert. Darüber hinaus wurde eine molekulare Docking-Studie durchgeführt, um das Bindungsinteraktionsmuster von NPs mit Zellproteinen lokal isolierter Bakterienstämme einschließlich E. coli und S. aureus . Das Ziel der vorliegenden Studie war es, das vergleichende Verhalten von Telluriden und Seleniden von Übergangsmetallen hinsichtlich ihrer katalytischen, mikroziden und molekularen Andockleistung zu bewerten.

Methoden

Die aktuelle Studie zielte auf ein vergleichendes Verhalten von Telluriden und Seleniden von Übergangsmetallen ab, um ihre katalytischen, mikroziden Eigenschaften und die molekulare Docking-Analyse zu untersuchen.

Chemikalien

Niobpentachlorid-NbCl₅ (99%), Tantalpentachlorid-TaCl₅ (99,8%), Selendioxid-SeO₂ (≥ 99,9%), Tellurdioxid-TeO₂ (≥ 99%), Methylenblau (MB), Natriumborhydrid (NaBH₄ .) ) und Salpetersäure HNO₃ (65 %) wurden von Sigma-Aldrich bezogen. Salzsäure-HCl (37%) wurde von Riedel-de Haen bezogen. Königswasser wurde verwendet, um Glaswaren zu waschen, gefolgt von zweimaligem Spülen mit bidestilliertem Wasser. Nähragar wurde von Merck bezogen. Reinkulturen von Bakterienstämmen wurden vom Zoology Department, G.C. Universität, Lahore. Vor der Verwendung wurde keine zusätzliche Reinigungsbehandlung durchgeführt.

Synthese von Übergangsmetallseleniden und Telluriden

Zwei Gruppen, nämlich Telluride und Selenide von Übergangsmetallen (Ta &Nb) mit Zusammensetzungen von (TaTe₄ , NbTe₄ ) und (TaSe₃ , Nb₂ Se₃ ) bzw. wurden mittels Standard-Festkörpertechnik synthetisiert (siehe Abb. 1). Vorläufermetallchloride (TaCl₅ .) , Schmp.:216 °C und NbCl₅ , Schmp.:204,7 °C) wurden jeweils gründlich gemischt und mit Chalkogenoxiden (TeO₂ , Schmp.:732 °C und SeO₂ , Schmp.:340 °C) für 15 min, um die Kontaktfläche zwischen den Partikeln zu verbessern und die Homogenität zu gewährleisten. Die resultierende Mischung wurde geschmolzen, indem sie 48 Stunden lang in einen Muffelofen gegeben wurde, der bei 550 °C gehalten wurde. Anfänglich wurde die Temperatur des Ofens mit einer Geschwindigkeit von 50 °C/h erhöht. Danach wurde der Ofen mit einer Geschwindigkeit von 10 °C/h auf Raumtemperatur abgekühlt und die Produkte wurden extrahiert. Chlor im Vorläufermetallchlorid oxidiert, wenn es hohen Temperaturen ausgesetzt wird, wie der folgende mögliche Mechanismus zeigt [45].

Schematische Darstellung der Synthese von Metallseleniden und Telluriden

Katalyse

Das katalytische Potenzial des synthetisierten Nanokomposits wurde durch Messung der Reduktionsrate von Methylenblau-MB in Gegenwart von NaBH₄ . bewertet . MB ist ein kationischer Farbstoff, der in Chemielabors häufig als Redoxindikator verwendet wird. Ein Millimolar  MB-Lösung wurde mit entionisiertem Wasser verdünnt, gefolgt von der Zugabe von 400 µl frisch zubereitetem Natriumborhydrid-NaBH₄ Lösung (100 µM) darin. Später wurden synthetisierte Verbindungen in die Lösung eingearbeitet und 5 min gerührt. Die Entfärbung der Probe repräsentiert die Umwandlung von MB in Leukomethylenblau (LMB) in Gegenwart von Natriumborhydrid (siehe Gleichung 2). Die Reaktion wurde spektrophotometrisch überwacht und die Absorption bei 665 nm wurde in regelmäßigen Zeitabständen bei 25 °C im Bereich von 250–750 nm aufgezeichnet.

Antimikrobielle Aktivität

Die bakterizide Wirkung des synthetisierten Materials wurde durch einen Disk-Diffusions-Assay gegen Gram-positive (G + ve) Staphylococcus aureus . untersucht und Gram-negativ (G –ve) Escherichia coli Verwendung von Whatman-Filterpapieren als Disk unter aseptischen Bedingungen. Bakterienkulturen mit 1 × 10 ⁷ KBE/ml wurden auf Nähragarplatten ausgestrichen, während verschiedene Konzentrationen (0,25, 0,5 und 1 µg/ml) verwendet wurden, um die Empfindlichkeit der synthetisierten Nanokomposite im Vergleich zu entionisiertem Wasser (DIW) als Negativkontrolle zu überprüfen. Die beimpften Agarplatten wurden über Nacht bei 37 °C aerob inkubiert und die Hemmzonen wurden unter Verwendung einer Meterskala (mm) (Image J Software) gemessen. Die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse wurde durch dreimaliges Wiederholen des Experiments sichergestellt.

Materialcharakterisierung

Informationen über die Struktur und Kristallphasen der synthetisierten Produkte wurden mit einem Röntgendiffraktometer (Modell:PANalytical X’Pert PRO) bei 40 kV und 30 mA unter Verwendung von Cu-Kα-Strahlung (λ =1,540 Å) mit 2θ Variation von 20-80° bei einer Abtastrate von 0,02°/s. Für die Kurvenanpassung und Integration wurde die von Philips proprietäre Software X’Pert Highscore plus verwendet. Die morphologischen Eigenschaften und die elementare Zusammensetzung wurden mittels (JSM-6460LV) FESEM, ausgestattet mit einem energiedispersiven Röntgen-EDS-Spektrometer, erhalten. Darüber hinaus wurde der Schichtabstand mit Hilfe von HRTEM des Modells Philips (CM30) und JEOL (JEM 2100F) bewertet. Die optischen Eigenschaften wurden mit einem UV-Vis (GENESYS 10S)-Spektrophotometer bestimmt, das in einem Bereich von 120 bis 1100 nm betrieben wurde. FTIR wurde beauftragt, die funktionellen Gruppen durch ein Perkin-Elmer-Spektrometer nachzuweisen, das im Bereich von 4000-400 cm ⁻¹ . verwendet wurde . Raman-Streuexperimente wurden an pulverisierten Proben mit einem Raman-Spektrometer durchgeführt, das mit einem Diodenlaser als Anregungsquelle ausgestattet war, die auf eine Wellenlänge von 532 nm fokussiert war.

Molekulare Docking-Studie

Eine molekulare Docking-Studie von synthetisierten Telluriden und Seleniden wurde durchgeführt, um den Mechanismus zu verstehen, der der bakteriziden Aktivität zugrunde liegt. Dies wurde durchgeführt, indem auf Proteine ​​abgezielt wurde, die für das Überleben und das Wachstum von Bakterien entscheidend sind. Mehrere Protein-Targets, die zu verschiedenen Biosynthesewegen gehören, wurden für die molekulare Docking-Studie ausgewählt, nämlich β -Lactamase, Dihydrofolat-Reduktase, Enoyl-[Acyl-Carrier-Protein]-Reduktase (FabI) ​​und Beta-Ketoacyl-Acyl-Carrier Protein Synthase III (FabH). Das β -Lactamase und Dihydrofolatreduktase spielen eine zentrale Rolle bei der Biosynthese der Zellwand bzw. Folsäure, die für das Überleben der Bakterien benötigt wird. In ähnlicher Weise katalysieren FabH- und FabI-Enzyme Schlüsselschritte im Fettsäurebiosyntheseweg von Bakterienzellen [46,47,48].

Hochwertige kristallographische Strukturen von Zielproteinen von E. coli und S. aureus mit guter Auflösung wurden aus der Proteindatenbank abgerufen (Abb. 2). Die Proteine ​​mit PDB ID:3Q81; Auflösung:2,1 Å [49], 1RD7; Auflösung:2,6 Å [50], 4D41; Auflösung 2,3 Å [51], 5BNR; Auflösung:1.9 Å [52] wurden ausgewählt, um molekulare Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und aktiven Taschenresten von Proteinen zu verstehen.

3D-Struktur von Zielproteinen. a Beta-Lactamase (PDB:3Q81; S. aureus ). b FabI (PDB:4D41; S. aureus ). c FabH (PDB:5BNR; E. coli ). d DHFR (PDB:1RD7; E. coli )

Für die molekulare Docking-Studie wurde die Software ICM v3.8-4a oder höher (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) verwendet [53]. Das Rezeptorpräparationswerkzeug von ICM Molsoft wurde für die Proteinstrukturpräparation verwendet, die die Entfernung von Wassermolekülen und co-kristallisierten Liganden. Darüber hinaus wurde eine Energieminimierung und -optimierung von Proteinstrukturen unter Verwendung von Standardparametern und Kraftfeldern vorgenommen. Später wurde die Bindungstasche mit a . angegeben Gitterbox und die 10 besten- angedockte Konformationen wurden erzeugt, um das Wechselwirkungsmuster von Nanopartikeln mit Resten des aktiven Zentrums zu untersuchen.

Zuvor beschriebene Strukturen von Telluriden und Seleniden wurden von PubChem im .cif-Format abgerufen und zur Herstellung von Ta-dotierten, Nb-dotierten Telluriden verwendet, und Selenidstruktur mit der Gaussian 09-Software und Ligandenvorbereitungstool von ICM Molsoft.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 3a zeigt XRD-Muster von hergestellten Verbundwerkstoffen nach dem Tempern bei 550 °C. Charakteristische Peaks aller Proben wurden eng mit der Datenbank von JCPDS abgeglichen. In der Telluridgruppe tetragonale Strukturen von TaTe₄ (♦) in C1 (von Brandon und Lessard 1983) [16, 54] und NbTe₄ (♥) in C2 (JCPDS 77-2283) [55] waren Hauptphasen, die in XRD-Mustern identifiziert wurden. Die gemeinsamen Beugungspeaks (gekennzeichnet als α ) bei 21,8° (101), 26,1° (110), 28,6° (111), 29,8° (102), 48,4° (212), 55,1° (114), 62,2° (302), 75,1° (322), und 77,7° (106) können auf die nicht umgesetzte tetragonale Kristallstruktur von TeO₂ . indiziert werden (Schmp.:732 °C) (JCPDS-Karte Nr. 78-1713) [56]. Im Fall der Selenidgruppe C3 und C4 monokline Phasen von TaSe₃ (♠) JCPDS-Datei:18-1310 [7, 57] und Nb₂ Se₃ (*) JCPDS-Karten-Nr. 01-089-2335 [1] wurden jeweils erkannt und hkl-Ebenen zugeordnet. Darüber hinaus wurden entsprechende Übergangsmetalloxide auch in so hergestellten Proben gebildet. In C3-Beugungspeaks (β ) bei 2θ =22,8° und 28,4° entsprechend (001) und (1110) Ebenen wurden orthorhombischem Ta₂ . zugeschrieben O₅ Phase nach (JCPDS 025-0922) [45]. Die von C4 gezeigten Peaks bei 23,7 (110), 27,2 (−213), 36,7 (115) und 50,1 (308) können dem monoklinen Nb₂ . zugeschrieben werden O₅ (γ ) wie berichtet in (JCPDS-Datei Nr. 37-1468) [58]. Die durchschnittliche Kristallitgröße der C1-, C2-, C3- und C4-Nanopartikel (22,2, 22,16, 26,7 bzw. 10,04 nm) wurde mit FWHM gemäß der Debye-Scherrer-Formel berechnet. Eine zusätzliche Bestätigung der kristallinen Textur von gewachsenen Nanopartikeln wurde durch die Verwendung von ausgewählten Flächenelektronenbeugungsmustern (SAED) von HR-TEM erreicht. Beide Beugungstechniken SAED und XRD sind einander analog; Erstere unterscheiden sich jedoch nur durch die Verwendung eines Elektronenstrahls anstelle von monochromatischer Röntgenstrahlung [59]. XRD ist die primäre Methode zur Identifizierung der Kristallstruktur, kann jedoch kaum für heterogene nanokristalline Proben verwendet werden. Es ist in der Lage, die Elektronendichteverteilung nur aufgrund der relativ schwachen Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Elektronen allein zu detektieren, während in hochauflösendem TEM der Elektronenstrahl sowohl mit dem elektrischen als auch mit dem nuklearen Feld stark wechselwirkt, wodurch eine stark vergrößerte Kristallstruktur im Vergleich zu die der Röntgenbeugung [59, 60]. Abbildung 3b-e zeigt die (SAED)-Muster entsprechender Proben mit konzentrischen Ringen, die auf hkl-Reflexionsebenen indiziert sind, die mit den XRD-Ergebnissen übereinstimmen [61, 62]. Die hellen Reflexionsflecken in mehreren konzentrischen Kreisen in den SAED-Mustern (b und c) zeigten, dass synthetisierte Nanokomposite kristallin waren, während schwache Reflexionen zwischen diesen hellen Ringen das Vorhandensein einer amorphen Verbindung zeigten. Darüber hinaus zeigt das Fehlen heller Flecken in den SAED-Ringen von (d) und wenigen Flecken in (e) die amorphe bzw. leicht kristalline Natur dieser Nanostrukturen [63, 64]. Für weitere Einblicke in die Kristallstruktur wurde HRTEM von C1 und C2 durchgeführt und die Ergebnisse sind in Abb. 3f, g dargestellt. Die klaren Gittersäume in HRTEM-Bildern zeigen die hohe Kristallinität der Nanopartikel [65] mit d-Abständen von ~ 0,315 und 0,347 nm, die gut mit dem Interplanarabstand der (111)-Ebene von tetragonalem TeO₂ . korrespondieren (JCPDS Nr. 78-1713) und (002) Ebene des tetragonalen NbTe₄ (JCPDS 77-2283) [55].

a XRD-Muster. b-e SAED-Bilder von C1-, C2-, C3- und C4-Proben (550 ° C) für 48 h. f-g HRTEM-Aufnahme von Nanokristallen (C1 &C2), die Gitterabstände zeigen

Repräsentative FESEM- und HRTEM-Bilder von Endprodukten, die nach dem Tempern bei 550 °C für 48 Stunden synthetisiert wurden, sind in Abb. 4 zur weiteren Ausarbeitung der Oberflächenmorphologie und Kristallstruktur von NPs gezeigt. FESEM-Aufnahmen der Telluridgruppe (a und b) weisen flockenartige Mikrokristalle in C1 auf, während in C2 ungleichmäßige, unregelmäßig geformte Partikel mit einer Tendenz zur Aggregation mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 22 nm beobachtet werden. FESEM-Bilder der Selenidgruppe (c und d) zeigen die platten-/scheibenartigen Strukturen, die über eine flache Oberfläche (C3) verteilt sind, und Partikelagglomeration kann in der C4-Morphologie mit einer Größe von NPs im Bereich von 10 bis 27 nm beobachtet werden. Diese Strukturen werden bei einer Untersuchung mit hochauflösendem TEM bei höherer Vergrößerung (siehe Abb. 4e-h) deutlicher und Einschübe (oben links mit 50 nm Auflösung) bestätigen auch die Bildung von Nanopartikeln.

a-d FESEM im Mikrometermaßstab. e-h HRTEM-Mikroskopie mit geringer Vergrößerung von C1-, C2-, C3- und C4-NPs mit starkem Vergrößerungseinsatz

Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) wurde verwendet, um die elementare Zusammensetzung synthetisierter Nanokomposite zu bestimmen. EDS-Spektren (Abb. 5) bestätigten die Anwesenheit aller konstituierenden Elemente (Ta, Nb, Te, Se und O) in den jeweiligen Proben. Aus den Spektren wird gezeigt, dass die hergestellten Proben 16,0 Gew.-% Ta und 65,6 Gew.-% Te in C1 und 15 Gew.-% Nb und 66,3 Gew.-% Te in C2 enthalten, diese Werte stimmen mit den relativen Atomverhältnissen der Elemente überein (~ 1:4) vorhanden in Verbindungen TaTe₄ und NbTe₄ , bzw. Kohlenstoff- und Kupfersignale stammen von den kohlenstoffbeschichteten Proben und Cu-Gittern, die für FESEM-Messungen verwendet werden [7, 66]. In den Spektren wurden keine anderen Peaks oder Elemente im Zusammenhang mit Verunreinigungen beobachtet, die die Reinheit der Folgeprodukte, die als Ergebnis der Festkörpersynthese gebildet wurden, sicherstellen.

EDS-Spektren von C1-, C2-, C3- und C4-Proben

Die Natur chemischer Bindungen und funktioneller Gruppen der synthetisierten Komposite C1, C2, C3 und C4 wurde durch FTIR-Studien im Bereich von 400-4000 cm ⁻¹ . aufgeklärt (Abb. 6a). Signifikante Transmissionsbanden bei 3432 und 1627 cm ⁻¹ . beobachtet sind mit der Dehnungsfrequenz der O-H-Gruppe verbunden [7]. In den Tellurid-Spektren C1 und C2 die beobachteten intensiven Peaks bei 658 cm ⁻¹ entsprechen den Streckschwingungen von Te-O-Bindungen in trigonal bipyramidal (tbp) TeO₄ Einheiten [67] während das Schwingungsband bei 776 cm ⁻¹ zeigt die Existenz einer Ta-O-Ta-Bindung in C1 [68] und NbO₄ Tetraedereinheit in C2 [69]. Spektren der hergestellten Selenid-Komposite C3 und C4 zeigen das Vorhandensein von Se-O-Bindungen aufgrund von Streckschwingungsmoden nahe 700 cm ⁻¹ [70] Peaks, die im Bereich von 700-900 cm ⁻¹ . übertragen werden werden der Metalloxidbindung als Ta-O-Ta-Bindung [3] in C3 und Nb-O-Bindung [69] in C4 zugeordnet. Raman-Spektroskopie wurde im Bereich von 50-1050 cm ⁻¹ . durchgeführt verschiedene Struktureinheiten synthetisierter Komposite zu offenbaren (Abb. 6b). Raman-Streuung in Telluridproben (C1, C2) wurde in drei Regionen beobachtet, darunter 100–250, 350–450 und 550–850 cm ⁻¹ . Erste Region bei 100–250 cm ⁻¹ entspricht Streckschwingung der Ta-O-Einheit in C1, Schwingungsbiegung der Nb-O-Nb-Verbindung und Nb₂ O₅ Oktaeder in C2 [71,72,73,74]. Vielversprechender Peak im zweiten Bereich 350–450 cm ⁻¹ wird auf die symmetrische Streckung von Te-O-Te-Bindungen zurückgeführt [75]. Der dritte Abschnitt besteht aus einem breiten Band bei 550–850 cm ⁻¹ und ist symmetrisch zu Raman-Moden für terminale Ta-O-Bindung, Te-O/Nb-O-Streckschwingungen und TaO₆ /Nb₂ O₅ oktaedrische Moden in C1 bzw. C2 [71,72,73,74]. Bei Selenidverbindungen C3 und C4 (Proben sind amorph oder weisen einen geringen Kristallinitätsgrad auf, wie in XRD- und HRTEM-Ergebnissen beobachtet) werden Raman-Verschiebungen nur zwischen 580-780 cm ⁻¹ . beobachtet , was auf das Vorhandensein von Ta₂ . hinweist O₅ -Einheit in C30 [68] und die Streckung der Nb-O-Bindung in C4 [72, 73] zusätzlich zu den terminalen Se-O-Brückenschwingungen [76]. Die beobachtete Raman-Streuung und Schwingungsmoden, die in den Spektren synthetisierter Nanokomposite beobachtet wurden, korrelieren mit der aus XRD-Daten abgeleiteten strukturellen Beziehung.

a FTIR-Spektren. b Raman-Spektren von C1, C2, C3 und C4

Optische Messungen und zusätzliche strukturelle Eigenschaften der so hergestellten Proben C1, C2, C3 und C4 wurden im Bereich von 285-400 nm unter Verwendung eines UV-Vis-Spektrophotometers (GENESYS 10S) durchgeführt. 7a veranschaulicht die Absorptionskurven, aufgetragen gegen die Absorption entlang der Ordinate und die Wellenlänge (nm) entlang der Abszisse. Alle gewachsenen Proben zeigten eine Absorption im UV-Bereich, wie durch Absorptionskurven im Bereich von 250-350 nm dargestellt [77, 78]. Sowohl in Telluriden als auch in Seleniden wurde aufgrund elektronischer Übergänge in Ta ⁺⁵ . eine intensive Absorptionsbande unmittelbar unterhalb der Absorptionskante bei 292 nm beobachtet , Nb ⁺⁵ Ionen und/oder ein einsames Elektronenpaar auf Te/Se-Atomen. Die Absorptionsgrenzwellenlänge wird an der Stelle genommen, an der ein abrupter Anstieg der optischen Absorption beginnt [4] und ist die Wellenlänge, die verwendet wird, um die optische Bandlücke von Verbundwerkstoffen zu bewerten [79, 80]. Die direkten Bandlückenenergien (Eg) wurden durch Auftragen (αhυ ) ² entlang y -Achse und hυ am x -Achse gefolgt von Extrapolation der linearen Anpassungen auf das x -Achse (Abb. 7b). Die Intercept-Werte auf x -Achse (3.99, 3.91, 3.87 und 3.82 eV) entsprechen den geschätzten Bandlücken von C1, C2, C3 bzw. C4, was darauf hinweist, dass die nachfolgenden NPs Materialien mit breiter Bandlücke sind.

a UV-Vis-Spektren. b Bandlücke von C1, C2, C3 und C4

Abbildung 8a-e veranschaulicht den katalytischen Abbau von Methylenblau in Gegenwart von NaBH₄ und Nanokomposite, die unter Verwendung eines Spektrophotometers untersucht wurden. Die Abbaurate des Farbstoffs in Gegenwart von Natriumborhydrid ist in 8a gezeigt, während die katalytische Effizienz von TaTe₄ (C1), NbTe₄ (C2), TaSe₃ (C3) und Nb₂ Se₃ (C4) ist in Fig. 8b-e dargestellt. Für die Proben C2 und C3 wurde eine signifikante katalytische Aktivität aufgezeichnet, da diese zu einer sukzessiven Abnahme der Methylenblaukonzentration führt. Die Umwandlung von MB in Leukomethylenblau dauerte nur 3-5 min, wie in Abb. 8c, d gezeigt. Für die Proben C1 und C4 wurde eine vernachlässigbare katalytische Leistung festgestellt, wie in Fig. 8b gezeigt, z. Die geringe katalytische Effizienz könnte durch geringfügige strukturelle Unterschiede in der quasi-dimensionalen Anordnung der MC-Ketten der Materialien erklärt werden, obwohl sie chemisch isomorphe Konfigurationen besitzen [17,18,19]. Farbstoffabbaukurven synthetisierter Nanokomposite sind in 8f gezeigt. Die Abbaukurven der Proben C2 und C3 stellen einen starken Abfall dar, während die Kurven anderer Proben einen leichten Unterschied zur Standard-MB-Kurve zeigen, was zeigt, dass die Proben C2 und C3 im Vergleich zu den übrigen Proben ein höheres katalytisches Potential besitzen. Der prozentuale Abbau von Methylenblau wurde unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet:

Zeitabhängige UV-Vis-Spektren zur Reduktion von MB. a MB mit NaBH₄ . b MB mit NaBH₄ + C1. c MB mit NaBH₄ + C2. d MB mit NaBH₄ + C3. e MB mit NaBH₄ + C4

% Abbau =100 − (C _t × 100∕C _o ) (3)

wobei die anfängliche Absorption von MB als C . dargestellt wird _o und Absorption zum Zeitpunkt t wird als C . angezeigt _t . Ein signifikantes Farbstoffabbaupotential wurde bei den Proben C2 (19,9 %/min) und C3 (33 %/min) gezeigt; Bei den verbleibenden Proben wurde jedoch eine vernachlässigbare Aktivität beobachtet, wie in Fig. 8g gezeigt. Die Reaktion pseudo-erster Ordnung [81] wurde verwendet, um die katalytische Effizienz von synthetisierten Nanokompositen quantitativ abzuschätzen. Der folgende Ausdruck (Gleichung 4) wurde verwendet, um die Geschwindigkeitskonstante zu berechnen.

In [C _o ∕C _t ] =kt (4)

Hier, C _o ist die Anfangskonzentration des Farbstoffs und k stellt die Geschwindigkeitskonstante dar [82]. 8h veranschaulicht die Geschwindigkeitskonstantenwerte, die aus der Absorptionskurve erhalten wurden. Diese Werte sind 1,0325/min, 0,776/min, 0,086/min und 0,0803/min für C3, C2, C4 bzw. C1. Probe C3 zeigt mit einer hohen Geschwindigkeitskonstante eine signifikante katalytische Leistungsfähigkeit für den Abbau von Methylenblau. In ähnlicher Weise weist auch C2 eine hohe katalytische Effizienz auf, während die verbleibenden Proben nicht als wirksame Nanokatalysatoren erwiesen sind.

Ein Agarscheiben-Diffusionsassay wurde verwendet, um die antibakterielle Empfindlichkeit der hergestellten Telluride (C1, C2) und Selenide (C3, C4) von Nb und Ta zu bestimmen. Für Proben gegen E wurden Hemmzonen aufgezeichnet. coli und S. aureus wie in Tabelle 1 gezeigt. Die antibakterielle Aktivität der Telluritgruppe ist größer als die von C3 und C4 (Fig. 9); obwohl die maximale Hemmzone für Probe C2 bei einer Konzentration von 1 µmg/ml für E aufgezeichnet wurde. coli (35 mm) und S. aureus (32 mm). In ähnlicher Weise zeigte auch Probe C1 eine maximale Hemmung bei der D4-Konzentration, d. h. 28 und 29,5 &mgr;mm für E. coli und S. aureus , bzw. Die Konzentrationen von D2 und D3 zeigten jedoch eine geringere bakterizide Aktivität als D4; dieser Trend repräsentiert die dosisabhängige zytotoxische Wirkung von Nanokompositen. Zwischen dem synergistischen Effekt und den NP-Konzentrationen und Hemmzonen (mm) wurde eine direkte Proportionalität beobachtet [83]. Balkendiagramm zeigt vernachlässigbare bakterizide Aktivität für Probe C3 (TaSe₃ ) und C4 (Nb₂ Se₃ ) aufgrund des Vorhandenseins von Selen (Se), da es ein essentieller Mikronährstoff ist, der das Bakterienwachstum fördert und das antibakterielle Potenzial der Proben verringert [84]. Die deutliche Abnahme des Bakterienwachstums bei Telluriten mit Zunahme der Nanopartikelkonzentration wird auf die Bildung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) zurückgeführt, die durch die Redoxreaktion von Metallionen oxidativen Stress verursachen, der das Wachstum bestimmter Enzyme hemmt and destroys the bacterial DNA leading to the death of bacteria [85]. The overall charge on harvested composites was positive while the bacterial cell wall is anionic in nature. One possible reaction mechanism could be the cationic interaction of metal ions, which renders bacterial ribosomes and enzymes dysfunctional, consequently resulting in the collapse of micro-pathogens [86].

Disk diffusion assay and qualitative antibacterial assessment of C1, C2, C3 and C4 against (a ) Escherichia coli and (b ) Staphylococcus aureus

In order to understand the likely molecular as well as atomic-level events underlying antimicrobial efficacy of nanoparticles, it is important to evaluate their binding interaction with possible protein targets. The enzyme targets selected in the current study belong to biosynthetic pathways that are crucial for survival and growth of bacteria. Molecular docking study was performed to evaluate the binding interaction pattern of metal-doped telluride and selenide with multiple enzyme targets belonging to E. coli und S. aureus . Best docked complexes were obtained for niobium-doped telluride (NbTe₄ ) (see Fig. 10) with enoyl-[acyl-carrier-protein] reductase (FabI) and beta-ketoacyl-acyl carrier protein synthase III (FabH) of S. aureus and E. coli , bzw.

Structure of niobium-doped telluride (NbTe₄ ) in 2D and 3D view

The docking score obtained for best-docked configuration of NbTe₄ with beta-ketoacyl-acyl carrier protein synthase III (FabH) of E. coli was −4.361 kcal/mol. The NbTe₄ NPs formed H-bonding interactions with Ala246 and Ile156 with a bond distance of 1.4 Å and 1.5 Å as shown in Fig. 11. In addition, the enoyl-[acyl-carrier-protein] reductase (FabI) represents another important enzyme of the fatty acid biosynthetic pathway and its inhibition can lead to the death of bacteria. The binding score −3.829 kcal/mol obtained for docking of NbTe₄ NPs into active pocket of FabI is attributed to H-bonding interaction with Met12 and metal contact with Gly13 as depicted in Fig. 12.

Binding interaction pattern of NbTe₄ NPs with active site residues of beta-ketoacyl-acyl carrier protein synthase III (FabH) from E. coli

Binding interaction pattern of NbTe₄ NPs with active site residues of enoyl-[acyl-carrier-protein] reductase (FabI) from S. aureus

In silico findings are in good agreement with an antimicrobial activity where NbTe₄ NPs showed the largest zones of inhibition suggesting it to be a potential inhibitor against FabH and FabI enzymes belonging to the fatty acid biosynthetic pathway. It is important to address the concerns regarding the potential toxic effect of these nanoparticles on humans and animals alike. In human beings, no toxic effects of niobium metal have been reported thus far; however, in animals, it has shown higher toxicity compared to tantalum and various other rare elements that were tested. The inhibitory effect of niobium on mouse liver enzyme succinic dehydrogenase was first noticed by Horecker et al. [87] and later investigated by Cochran and his associates [88] who ascribed the toxicity of niobium to its interference with the metal-activated enzymatic reactions. Tellurium biochemistry in the perspective of human and animal toxicology has been reviewed to a lesser extent compared to that of selenium. Although tellurium and selenium show many chemical similarities, the nutritional role of tellurium has never been reported. Moreover, minute concentrations of Te has been reported to induce chronic as well as acute toxicity in various organisms [89]. In the biological environment, Te behaves differently as it is less soluble in physiological PH and easily oxidizes to tellurite (TeO₃ ⁻² ), tellurate (TeO₄ ⁻² ), or TeO₂ as compared to Se. Tellurium dioxide is water insoluble at biotic PH and the reduced product of tellurium, H₂ Te decomposes readily under the effect of light and air when compared to H₂ Se. These characteristics attributed to tellurium renders it a less bio-toxic element than selenium. Similar to other mammals, after the injection of tellurium salts in humans, reduction and methylation occur, which results in the formation of Te ⁰ und (CH₃ )₂ Te that is eliminated from the body through breathing, urination, and sweating [90].

Schlussfolgerungen

The compounds of two classes namely selenides and tellurides of transition metals (Ta and Nb) were successfully synthesized with compositions of TaSe₃ , Nb₂ Se₃ , and TaTe₄ , NbTe₄ through standard solid-state technique. Crystallographic and morphological evidence indicated crystallization of monoclinic selenides and tetragonal tellurides that suggests particle agglomeration tendency in the nano regime. The estimated average crystallite size (~ 10-22 nm) and d-spacings (0.31 nm) of (111) plane, and (0.34 nm) of (002) plane obtained from XRD were in accordance to HR-TEM results. The presence of all constituent elements (Ta, Nb, Se, Te, and O) in respective samples consistent with their relative atomic proportions was confirmed with EDS spectra. Transmittance and absorption peaks in FTIR and Raman spectra obtained from NPs indicated the presence of Nb-O/Te-O, TaO₆ , NbO₄ , Se-O/Ta₂ O₅ Se-O/Nb-O structural units. Optical properties disclosed that both groups of extracted products are semiconductors with wide band gaps energies (3.82-3.99 eV) while NbTe₄ and TaSe₃ exhibit good catalytic potential compared to TaTe₄ and Nb₂ Se₃ owing to the slight differences in their structures. Besides, substantial antibacterial efficacy of telluride clusters against (G + ve) Staphylococcus aureus and (G –ve) Escherichia coli suggested that transition metal tellurides are promising bactericidal managers compared to selenide class of transition metals. Molecular docking investigation of NbTe₄ crystals showed remarkable binding score and interaction mechanism inside the active site of targeted proteins suggesting that it could be used as a potential inhibitor of FabH and FabI enzymes and can be further probed for its inhibition characteristics.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

Eg:

Band gap energy

EDS:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

FESEM:

Feldemissions-Rasterelektronenmikroskop

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

(G + ve):

Gram positiv

(G –ve):

Gram negativ

HR-TEM:

High resolution transmission electron microscope

JCPDS:

Gemeinsamer Ausschuss für Pulverbeugungsstandards

MB:

Methylenblau

nm:

Nanometer

Nb:

Niobium

PL:

Photolumineszenz

UV-Vis:

Ultra-violet visible spectroscopy

Ta:

Tantal

XRD:

Röntgenbeugung