Сравнительное исследование селенидов и теллуридов переходных металлов (Nb и Ta) с точки зрения их каталитических, антимикробных и молекулярных свойств докинга

Введение

Халькогениды переходных металлов TMC (где M =Ti, V, Nb, Ta, Mo, W и т.д .; C =S, Se, Te) являются очень многообещающими материалами, которые подходят для использования в ряде промышленных секторов, включая электронику, энергетику. преобразование и хранение, фотоэлектрические, термоэлектрические и каталитические [1, 2] из-за их желаемых оптических, электрических и электрохимических свойств [3]. В последнее время селениды и теллуриды, легированные ниобием и танталом, привлекли значительное внимание из-за их потенциального использования в таких областях, как полупроводники, верхнее преобразование ИК-излучения в видимый [4, 5], газовые сенсоры [6], лазерные диоды, медицинская диагностика. , фотодетекторы, фотокатализ [7], сверхпроводники и топологические изоляторы или полуметаллы [8]. Обычно халькогениды переходных металлов существуют в виде MC ₂ , MC ₃ , и MC ₄ системы, в которых M известен как переходный металл и C =S, Se или Te [9]. Низшие селениды и теллуриды, MC ₂ , имеют высокослойную двумерную (2D) структуру [10] с атомом металла, расположенным между слоями в октаэдрических узлах [11]. Двумерные (2D) материалы, включая дихалькогениды переходных металлов, графен (первый 2D-материал, обнаруженный в 2004 году) [12], черный фосфор и гексагональный нитрид бора [13], широко исследовались благодаря их уникальным электронным, структурным, оптическим и магнитным свойствам. свойства [14]. С другой стороны, MC ₃ и MC ₄ являются, по-видимому, неслоистыми структурами, которые кристаллизуются в квазиодномерных конфигурациях [15, 16] с бесконечными цепочками МК. Хотя химическая формула кажется похожей для обоих семейств, но структурно они немного отличаются друг от друга. Эти структурные различия вызывают различия в их электротранспортных свойствах [17,18,19]. Важной особенностью теллуридов, которая отличает его от сульфидов и селенидов по его кристаллической структуре, электронной конфигурации и физическим свойствам, является большой атомный номер Те. Диффузионный характер валентных орбиталей [20] Te и его более ковалентная природа [21] приводят к сильному спин-орбитальному (SO) взаимодействию [22]. В настоящее время большой интерес в физике конденсированного состояния вызывают материалы с сильной SO-связью [23]. В связи с этим сверхпроводимость в низкоразмерных квази (1D) теллуридах (NbTe ₄ ) с большим атомным номером исследуется [21, 24]. Чтобы удовлетворить растущий спрос на наноструктурированные селениды и теллуриды ТМ в различных областях, был принят ряд подходов для синтеза этих материалов, включая золь-гель [7, 25, 26], электроспиннинг [27], процесс ориентированного присоединения [28] , 29], химическое осаждение из паровой фазы [30], высокотемпературный синтез на основе органических растворов [31], метод, управляемый шаблоном [32], и гидротермальная / сольвотермическая реакция [33].

Существенное загрязнение окружающей среды, вызванное токсичностью органических красителей и пигментов, сбрасываемых в виде сточных вод из различных производств, остается основным источником риска для здоровья на глобальном уровне. Невозможно устранить эти небиоразлагаемые отходы с помощью обычных методов очистки воды [7, 34] из-за их сложной ароматической структуры, гидрофильности и устойчивости к свету, химическим веществам и температуре [35, 36]. Поэтому в последнее время первостепенное внимание уделяется разработке эффективных, удобных и экономичных методов деградации [37]. На сегодняшний день для очистки сточных вод, загрязненных красителями, применяются различные методы, основанные на физических, биологических и химических методах [38]. Эти методы не имеют практического применения из-за высоких капитальных затрат, низкой эффективности, медлительности и больших затрат энергии. Напротив, процесс каталитического восстановления является предпочтительным вариантом, поскольку он является относительно быстрой, недорогой и низкотемпературной обработкой [35, 37]. В связи с этим некоторые халькогениды переходных металлов, такие как VSe ₂ (фотокатализатор и суперконденсатор) [39], WTe, легированный Yb ₃ (ультракороткий лазер и усилитель) [40, 41], TaSe ₃ (сверхпроводник), TaS и NbSe ₃ (полупроводники) описаны в литературе [7, 27]. Здесь уместно отметить, что изучению каталитического восстановления метиленового синего (МБ) с помощью NaBH ₄ уделялось гораздо меньше внимания. используя соединения, изученные здесь.

В биомедицине антимикробные свойства металлических композитов давно признаны и успешно используются для некоторых из самых выдающихся инноваций в истории медицины [42, 43]. Среди переходных металлов соединения Ta считаются хорошими антимикробными агентами из-за того, что они нереактивны, нетоксичны и биосовместимы. Принимая во внимание, что исследования композитов Nb, используемых в качестве биоцидных агентов, довольно ограничены [44].

В связи с вышеизложенным мы намеревались синтезировать селениды и теллуриды переходных металлов (Nb, Ta) и провести сравнительное исследование, оценив их каталитические и антимикробные свойства. Насколько нам известно, о таком сравнительном исследовании до сих пор не сообщалось. Для синтеза селенидов (TaSe ₃ , Nb ₂ Se ₃ ) и теллуриды (TaTe ₄ , NbTe ₄ ) и выделенные продукты были охарактеризованы с помощью элементного анализа, FTIR, Рамана, EDS, FESEM, HRTEM и УФ-видимой спектроскопии. Кроме того, было проведено исследование молекулярного докинга для оценки характера связывающего взаимодействия НЧ с клеточными белками локально выделенных бактериальных штаммов, включая E. coli и С. золотистый . Целью настоящего исследования было оценить сравнительное поведение теллуридов и селенидов переходных металлов в отношении их каталитических, микрокцидных и молекулярных свойств докинга.

Методы

Текущее исследование, направленное на сравнительное поведение теллуридов и селенидов переходных металлов, было оценено с целью изучения их каталитических, микрокцидных свойств и анализа молекулярного докинга.

Химические вещества

Пентахлорид ниобия-NbCl ₅ (99%), пентахлорид тантала-TaCl ₅ (99,8%), диоксид селена-SeO ₂ (≥ 99,9%), диоксид теллура-TeO ₂ (≥ 99%), метиленовый синий (МБ), боргидрид натрия (NaBH ₄ ) и азотной кислоты HNO ₃ (65%), были получены от Sigma-Aldrich. Соляная кислота-HCl (37%) была приобретена у Riedel-de Haen. Царскую водку использовали для мытья посуды с последующим ополаскиванием дважды бидистиллированной водой. Питательный агар был приобретен у Merck. Чистые культуры бактериальных штаммов были предоставлены Зоологическим отделением G.C. Университет, Лахор. Дополнительная очистка перед использованием не проводилась.

Синтез селенидов и теллуридов переходных металлов

Две группы, а именно теллуриды и селениды переходных металлов (Ta и Nb) с составами (TaTe ₄ , NbTe ₄ ) и (TaSe ₃ , Nb ₂ Se ₃ ) соответственно были синтезированы стандартным твердотельным методом (см. рис. 1). Хлориды металлов-предшественников (TaCl ₅ , т.пл .:216 ° C и NbCl ₅ . , т.пл .:204,7 ° C) каждый из них тщательно перемешивали и измельчали ​​с оксидами халькогена (TeO ₂ , т.пл .:732 ° C и SeO ₂ , т.пл .:340 ° C) в течение 15 мин для увеличения площади контакта между частицами и обеспечения однородности. Полученную смесь расплавляли, помещая в муфельную печь при 550 ° C на 48 ч. Первоначально температура печи повышалась со скоростью 50 ° C / ч. После этого печь охлаждали со скоростью 10 ° C / ч до комнатной температуры и продукты экстрагировали. Хлор в предшественнике хлорида металла окисляется при воздействии высокой температуры, что показано по следующему возможному механизму [45].

Принципиальная схема синтеза селенидов металлов и теллуридов

Катализ

Каталитический потенциал синтезированного нанокомпозита оценивали путем измерения скорости восстановления метиленового синего-МБ в присутствии NaBH ₄ . МБ - катионный краситель, широко используемый в химических лабораториях в качестве индикатора окислительно-восстановительного потенциала. Один миллимолярный раствор МБ разбавляли деионизированной водой с последующим добавлением 400 мкл свежеприготовленного боргидрида натрия-NaBH ₄ раствор (100 мМ) в нем. В дальнейшем синтезированные соединения вводили в раствор и перемешивали в течение 5 мин. Обесцвечивание образца представляет собой превращение МБ в лейкометиленовый синий (LMB) в присутствии боргидрида натрия (см. Уравнение 2). За реакцией следили спектрофотометрически, и поглощение при 665 нм регистрировали через регулярные промежутки времени при 25 ° C в диапазоне 250–750 нм.

Противомикробное действие

Бактерицидное действие синтезированного материала изучали методом дисковой диффузии против грамположительных (G + ve) Staphylococcus aureus и грамотрицательные (G –ve) Escherichia coli использование фильтровальной бумаги Whatman в качестве диска в асептических условиях. Бактериальные культуры, содержащие 1 × 10 ⁷ КОЕ / мл наносили на чашки с питательным агаром, в то время как различные концентрации (0,25, 0,5 и 1 мг / мл) использовали для проверки чувствительности синтезированных нанокомпозитов по сравнению с деионизированной водой (DIW) в качестве отрицательного контроля. Засеянные чашки с агаром инкубировали в аэробных условиях в течение ночи при 37 ° C, и зоны ингибирования измеряли с использованием шкалы измерения (мм) (программное обеспечение Image J). Воспроизводимость и надежность результатов были обеспечены трехкратным повторением эксперимента.

Характеристики материалов

Информация о структуре и кристаллических фазах синтезированных продуктов была получена с помощью рентгеновского дифрактометра (модель:PANalytical X’Pert PRO), работающего при 40 кВ и 30 мА с использованием излучения Cu-Kα ( λ =1,540 Å) с изменением 2θ от 20 до 80 ° при скорости сканирования 0,02 ° / с. Для подбора кривой и интеграции использовалось собственное программное обеспечение Philips, X’Pert high score plus. Морфологические свойства и элементный состав были получены с помощью (JSM-6460LV) FESEM, оснащенного энергодисперсионным рентгеновским EDS-спектрометром. Кроме того, расстояние между слоями оценивали с помощью ВРЭМ моделей Philips (CM30) и JEOL (JEM 2100F). Оптические характеристики определяли с помощью спектрофотометра UV-Vis (GENESYS 10S), работающего в диапазоне от 120 до 1100 нм. FTIR использовался для обнаружения функциональных групп с помощью спектрометра Perkin Elmer, используемого в диапазоне 4000-400 см ^-1 . . Эксперименты по комбинационному рассеянию света проводились на порошковых образцах с помощью рамановского спектрометра, оснащенного диодным лазером в качестве источника возбуждения, сфокусированного на длине волны 532 нм.

Исследование молекулярного докинга

Для понимания механизма, лежащего в основе бактерицидной активности, было проведено молекулярное докинговое исследование синтезированных теллуридов и селенидов. Это было достигнуто путем нацеливания на белки, имеющие решающее значение для выживания и роста бактерий. Для исследования молекулярного докинга были выбраны множественные белковые мишени, принадлежащие к различным биосинтетическим путям, а именно: β -лактамаза, дигидрофолатредуктаза, еноил- [ацил-белок-носитель] редуктаза (FabI) ​​и бета-кетоацил-ацил-белок-синтаза III (FabH). β -лактамаза и дигидрофолатредуктаза играют ключевую роль в биосинтезе клеточной стенки и фолиевой кислоты, соответственно, которые необходимы для выживания бактерий. Точно так же ферменты FabH и FabI катализируют ключевые этапы пути биосинтеза жирных кислот бактериальной клетки [46,47,48].

Высококачественные кристаллографические структуры целевых белков E.coli и S. aureus с хорошим разрешением были получены из банка данных Protein (рис. 2). Белки с PDB ID:3Q81; Разрешение:2,1 Å [49], 1RD7; Разрешение:2,6 Å [50], 4D41; Разрешение 2.3 Å [51], 5БНР; Разрешение:1,9 Å [52] были выбраны для понимания молекулярных взаимодействий между наночастицами и остатками активных карманов белка.

3D-структура целевых белков. а Бета-лактамаза (PDB:3Q81; S. aureus ). б FabI (PDB:4D41; S. aureus ). c FabH (PDB:5BNR; E. coli ). г DHFR (PDB:1RD7; E. coli )

Для исследования молекулярного докинга использовалось программное обеспечение ICM v3.8-4a или выше (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) [53]. Инструмент подготовки рецепторов от ICM Molsoft был использован для подготовки структуры белка, в котором задействованы удаление молекул воды и сокристаллизованного лиганда. Кроме того, минимизация энергии и оптимизация белковых структур были предприняты с использованием параметров по умолчанию и силового поля. Позже карман для переплета был указан с помощью a сетка и 10 лучших - Пристыкованные конформации были созданы для изучения картины взаимодействия наночастиц с остатками активного центра.

Ранее описанная структура теллуридов и селенидов была получена из PubChem в формате .cif и использована для получения теллуридов, легированных Ta и Nb , и структуру селенидов с помощью the Программное обеспечение Gaussian 09 и инструмент подготовки лигандов от ICM Molsoft.

Результаты и обсуждение

На рис. 3а представлены рентгенограммы полученных композитов после отжига при 550 ° C. Характерные пики всех образцов были точно сопоставлены с базой данных JCPDS. В теллуридной группе тетрагональные структуры TaTe ₄ (♦) в C1 (Брэндон и Лессард, 1983) [16, 54] и NbTe ₄ (♥) в C2 (JCPDS 77-2283) [55] были основными фазами, идентифицированными на рентгенограммах. Общие дифракционные пики (отмечены как α ) при 21,8 ° (101), 26,1 ° (110), 28,6 ° (111), 29,8 ° (102), 48,4 ° (212), 55,1 ° (114), 62,2 ° (302), 75,1 ° (322), и 77,7 ° (106) могут быть отнесены к непрореагировавшей тетрагональной кристаллической структуре TeO ₂ (т.пл .:732 ° C) (карта JCPDS № 78-1713) [56]. В случае селенидной группы C3 и C4 моноклинные фазы TaSe ₃ (♠) Файл JCPDS:18-1310 [7, 57] и Nb ₂ Se ₃ (*) № карты JCPDS. 01-089-2335 [1], соответственно были обнаружены и отнесены к самолетам ГКЛ. Более того, соответствующие оксиды переходных металлов также образовывались в свежеприготовленных образцах. В дифракционных пиках C3 ( β ) при 2θ =22,8 ° и 28,4 °, соответствующих плоскостям (001) и (1110), были отнесены к орторомбическому Ta ₂ О ₅ фаза согласно (JCPDS 025-0922) [45]. Пики, обозначенные C4, расположенные при 23,7 (110), 27,2 (−213), 36,7 (115) и 50,1 (308), могут быть отнесены к моноклинному Nb ₂ О ₅ ( γ ), как указано в (файл JCPDS № 37-1468) [58]. Средний размер кристаллитов наночастиц C1, C2, C3 и C4 (22,2, 22,16, 26,7 и 10,04 нм соответственно) был рассчитан с использованием FWHM согласно формуле Дебая-Шеррера. Дополнительное подтверждение кристаллической текстуры выращенных наночастиц было достигнуто с помощью дифракции электронов на выбранной площади (SAED) HR-TEM. Оба метода дифракции SAED и XRD являются аналогами друг друга; однако первые отличаются только использованием электронного пучка вместо монохроматического рентгеновского излучения [59]. XRD - это основной метод, используемый для идентификации кристаллической структуры, но его едва ли можно использовать для гетерогенных нанокристаллических образцов. Он способен обнаруживать распределение электронной плотности только из-за относительно слабого взаимодействия рентгеновских лучей только с электронами, в то время как в ПЭМ высокого разрешения электронный пучок сильно взаимодействует как с электрическим, так и с ядерным полем, что дает сильно увеличенную кристаллическую структуру по сравнению с дифракция рентгеновских лучей [59, 60]. На рис. 3b-e показаны диаграммы (SAED) соответствующих образцов с концентрическими кольцами, индексированными по плоскостям отражения hkl, которые согласуются с результатами XRD [61, 62]. Яркие пятна отражения в нескольких концентрических кругах на рисунках SAED (b и c) указывали на то, что синтезированные нанокомпозиты были кристаллическими, тогда как слабое отражение, наблюдаемое между этими яркими кольцами, показало присутствие аморфного соединения. Более того, отсутствие ярких пятен в кольцах SAED на (d) и нескольких пятен на (e) указывает на аморфную и слабокристаллическую природу этих наноструктур соответственно [63, 64]. Для дальнейшего понимания кристаллической структуры была проведена ПЭМВР для C1 и C2, результаты представлены на рис. 3f, g. Четкие полосы решетки на изображениях HRTEM указывают на высокую кристалличность наночастиц [65] с d-расстоянием ~ 0,315 и 0,347 нм, что хорошо соответствует межплоскостному расстоянию плоскости (111) тетрагонального TeO ₂ (JCPDS № 78-1713) и (002) плоскость тетрагонального NbTe ₄ (JCPDS 77-2283) [55], соответственно.

а Картины XRD. Б-Э Изображения SAED образцов C1, C2, C3 и C4 (550 ° В) в течение 48 ч. ф-г HRTEM-микрофотография нанокристаллов (C1 и C2), показывающая интервалы между решетками

Репрезентативные изображения FESEM и HRTEM конечных продуктов, синтезированных после отжига при 550 ° C в течение 48 часов, показаны на рис. 4 для дальнейшего уточнения морфологии поверхности и кристаллической структуры наночастиц. Микрофотографии теллуридной группы (a и b) с помощью FESEM содержат чешуйчатые микрокристаллы в C1, в то время как неоднородные частицы неправильной формы со склонностью к агрегированию со средним диаметром 22 нм наблюдаются в C2. Изображения FESEM группы селенидов (c и d) указывают на пластинчатые / дискообразные структуры, диспергированные по плоской поверхности (C3), и агломерация частиц может наблюдаться в морфологии C4 с размером наночастиц в диапазоне от 10 до 27 нм. Эти структуры становятся более очевидными при исследовании с помощью ПЭМ высокого разрешения при большем увеличении (см. Рис. 4e-h), а вставки (вверху слева с разрешением 50 нм) также подтверждают образование наночастиц.

а-д FESEM в микрометрической шкале. е-ч Микрофотографии ПЭМВР с малым увеличением НЧ C1, C2, C3 и C4 со вставкой с большим увеличением

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDS) была использована для определения элементного состава синтезированных нанокомпозитов. Спектры EDS (рис. 5) подтвердили присутствие всех составляющих элементов (Ta, Nb, Te, Se и O) в соответствующих образцах. Из спектров показано, что приготовленные образцы содержат 16,0 мас.% Ta и 65,6 мас.% Te в C1 и 15 мас.% Nb и 66,3 мас.% Te в C2, что согласуется с относительными атомными соотношениями элементов. (~ 1:4) присутствует в соединениях TaTe ₄ и NbTe ₄ , соответственно. Сигналы углерода и меди возникают от образцов с углеродным покрытием и сеток из меди, используемых для измерений методом FESEM [7, 66]. Никаких других пиков или элементов, связанных с загрязнениями, не наблюдалось в спектрах, которые гарантируют чистоту последующих продуктов, образованных в результате твердотельного синтеза.

Спектры EDS образцов C1, C2, C3 и C4

Природа химической связи и функциональных групп синтезированных композитов C1, C2, C3 и C4 была выяснена с помощью FTIR-исследований, проведенных в диапазоне 400-4000 см ^-1 (Рис. 6а). Значительные полосы пропускания наблюдаются на 3432 и 1627 см ^-1 связаны с частотой растяжения группы O-H [7]. В спектрах теллуридов С1 и С2 наблюдаемые интенсивные пики при 658 см ⁻¹ соответствуют валентным колебаниям связей Te-O в тригонально-бипирамидальном (tbp) TeO ₄ единиц [67], а полоса колебаний 776 см ⁻¹ показывает существование связи Ta-O-Ta в C1 [68] и NbO ₄ тетраэдрическая единица в C2 [69]. Спектры полученных селенидных композитов C3 и C4 указывают на наличие связей Se-O из-за мод валентных колебаний около 700 см ⁻¹ [70] Пики пропускаются в диапазоне 700-900 см ⁻¹ относятся к связи оксида металла как связь Ta-O-Ta [3] в C3 и связь Nb-O [69] в C4. Рамановская спектроскопия проводилась в диапазоне 50-1050 см ^-1 . раскрыть различные структурные единицы синтезированных композитов (рис. 6б). Рамановское рассеяние в образцах теллурида (C1, C2) наблюдалось в трех областях, включая 100–250, 350–450 и 550–850 см ⁻¹ . . Первая область на 100-250 см ⁻¹ соответствует растягивающему колебанию звена Ta-O в C1, колебательному изгибу связи Nb-O-Nb и Nb ₂ О ₅ октаэдр в C2 [71,72,73,74]. Перспективный пик во второй области 350-450 см ⁻¹ объясняется симметричным растяжением связей Te-O-Te [75]. Третья секция состояла из широкой полосы, расположенной на высоте 550-850 см ⁻¹ . и симметричен модам комбинационного рассеяния для концевой связи Ta-O, валентных колебаний Te-O / Nb-O и TaO ₆ / Nb ₂ О ₅ октаэдрические моды в C1 и C2 соответственно [71,72,73,74]. В случае селенидных соединений C3 и C4 (образцы являются аморфными или обладают низкой степенью кристалличности, как это наблюдается в результатах XRD и HRTEM) Рамановские сдвиги наблюдаются только между 580-780 см ^-1 , что указывает на присутствие Ta ₂ О ₅ фрагмент в C30 [68] и растяжение связи Nb-O в C4 [72, 73] в дополнение к концевым мостиковым колебаниям Se-O [76]. Наблюдаемые комбинационное рассеяние света и колебательные моды, наблюдаемые в спектрах синтезированных нанокомпозитов, коррелируют со структурной зависимостью, полученной из данных XRD.

а ИК-Фурье спектры. б Рамановские спектры C1, C2, C3 и C4

Оптические измерения и дополнительные структурные свойства свежеприготовленных образцов C1, C2, C3 и C4 были выполнены в диапазоне 285-400 нм с использованием спектрофотометра UV-Vis (GENESYS 10S). На рис. 7а показаны кривые поглощения в зависимости от поглощения по оси ординат и длины волны (нм) по оси абсцисс. Все выращенные образцы показали оптическую плотность в УФ-зоне, что отражено кривыми поглощения в диапазоне 250-350 нм [77, 78]. Непосредственно под краем поглощения около 292 нм наблюдалась интенсивная полоса поглощения как в теллуридах, так и в селенидах из-за электронных переходов в Ta ⁺⁵ , Nb ⁺⁵ ионы, и / или неподеленная пара электронов на атомах Te / Se. Длина волны отсечки поглощения берется там, где начинается резкое увеличение оптического поглощения [4], и это длина волны, которая используется для оценки оптической запрещенной зоны композитов [79, 80]. Энергии прямой запрещенной зоны (Eg) были оценены путем построения графика ( αhυ ) ² вдоль y -axis и hυ на x -axis с последующей экстраполяцией линейных аппроксимаций на x -ось (рис. 7б). Значения точки пересечения на x -оси (3,99, 3,91, 3,87 и 3,82 эВ) соответствуют расчетным значениям ширины запрещенной зоны C1, C2, C3 и C4 соответственно, что указывает на то, что последующие наночастицы являются широкозонными материалами.

а УФ-видимые спектры. б Ширина запрещенной зоны C1, C2, C3 и C4

На рис. 8a-e показано каталитическое разложение метиленового синего в присутствии NaBH ₄ . и нанокомпозиты, исследованные с помощью спектрофотометра. Скорость разложения красителя в присутствии боргидрида натрия показана на рис. 8а, в то время как каталитическая эффективность TaTe ₄ (C1), NbTe ₄ (C2), TaSe ₃ (C3) и Nb ₂ Se ₃ (C4) проиллюстрировано на рис. 8b-e. Значительная каталитическая активность была зарегистрирована для образцов C2 и C3, так как это приводит к последовательному снижению концентрации метиленового синего. Для превращения МБ в лейкометиленовый синий потребовалось всего 3-5 минут, как показано на рис. 8c, d. Незначительные каталитические характеристики были отмечены для образцов C1 и C4, как показано на рис. 8b, e. Низкую каталитическую эффективность можно объяснить небольшими структурными различиями, которые существуют в квази-мерном расположении материалов цепей MC, несмотря на то, что они обладают химически изоморфными конфигурациями [17,18,19]. Кривые деструкции красителя синтезированных нанокомпозитов показаны на рис. 8е. Кривые разложения образца C2 и C3 представляют собой резкое снижение, в то время как кривые других образцов показывают небольшое отличие от стандартной кривой MB, которая демонстрирует, что образцы C2 и C3 обладают более высоким каталитическим потенциалом по сравнению с остальными образцами. % Разложения метиленового синего рассчитывали по следующему уравнению:

Зависящие от времени УФ – видимые спектры восстановления МБ. а МБ с NaBH ₄ . б МБ с NaBH ₄ + C1. c МБ с NaBH ₄ + C2. г МБ с NaBH ₄ + C3. е МБ с NaBH ₄ + C4

% Деградации =100 - ( C _t × 100 ∕ C _o ) (3)

где начальная абсорбция МБ представлена ​​как C _o и абсорбция за время t отображается как C _т . Значительный потенциал разложения красителя продемонстрировали образцы C2 (19,9% / мин) и C3 (33% / мин); Однако в остальных образцах наблюдалась незначительная активность, как показано на фиг. 8g. Для количественной оценки каталитической эффективности синтезированного нанокомпозита использовалась реакция псевдопервого порядка [81]. Следующее выражение (уравнение 4) было использовано для расчета константы скорости.

ln [ C _о ∕ C _t ] = тыс. тонн (4)

Здесь C _о - начальная концентрация красителя и k представляет собой константу скорости [82]. На рисунке 8h показаны значения константы скорости, полученные из кривой поглощения. Эти значения составляют 1,0325 / мин, 0,776 / мин, 0,086 / мин и 0,0803 / мин для C3, C2, C4 и C1 соответственно. Образец C3 с высокой константой скорости демонстрирует значительную каталитическую способность к разложению метиленового синего. Точно так же C2 также демонстрирует высокую каталитическую эффективность, в то время как оставшиеся образцы не являются эффективными нанокатализаторами.

Для оценки антибактериальной чувствительности полученных теллуридов (C1, C2) и селенидов (C3, C4) Nb и Ta использовался дисковый диффузионный анализ. Зоны ингибирования регистрировали для образцов против E. coli и С. золотистый как показано в таблице 1. Антибактериальная активность группы теллурита выше, чем C3 и C4 (рис. 9); хотя максимальная зона ингибирования была зафиксирована для образца C2 при концентрации 1 мг / мл для E. coli (35 мм) и S. золотистый (32 мм). Точно так же образец C1 также показал максимальное ингибирование при концентрации D4, т.е. 28 и 29,5 мм для E. coli и С. золотистый , соответственно. Однако концентрации D2 и D3 показали более низкую бактерицидную активность, чем D4; эта тенденция отражает дозозависимый цитотоксический эффект нанокомпозитов. Наблюдалась прямая пропорциональность между синергическим эффектом и концентрацией НЧ и зонами ингибирования (мм) [83]. Гистограмма показывает незначительную бактерицидную активность для образца C3 (TaSe ₃ ) и C4 (Nb ₂ Se ₃ ) из-за присутствия селена (Se), поскольку он является важным микронутриентом, который усиливает рост бактерий и снижает антибактериальный потенциал образцов [84]. Заметное снижение роста бактерий в случае теллуритов с увеличением концентрации наночастиц объясняется образованием активных форм кислорода (АФК), которые вызывают окислительный стресс в результате окислительно-восстановительной реакции ионов металлов, что тормозит рост определенных ферментов. и разрушает бактериальную ДНК, что приводит к гибели бактерий [85]. Общий заряд собранных композитов был положительным, в то время как клеточная стенка бактерий была анионной по своей природе. Одним из возможных механизмов реакции может быть катионное взаимодействие ионов металлов, которое приводит к дисфункции бактериальных рибосом и ферментов, что приводит к разрушению микропатогенов [86].

Диско-диффузионный анализ и качественная антибактериальная оценка C1, C2, C3 и C4 против ( a ) Escherichia coli и ( b ) Золотистый стафилококк

Чтобы понять вероятные события на молекулярном и атомном уровне, лежащие в основе антимикробной эффективности наночастиц, важно оценить их связывающее взаимодействие с возможными белками-мишенями. Целевые ферменты, выбранные в настоящем исследовании, относятся к путям биосинтеза, которые имеют решающее значение для выживания и роста бактерий. Исследование молекулярного докинга было проведено для оценки характера взаимодействия связывания теллурида и селенида, легированного металлом, с множественными ферментными мишенями, принадлежащими E. coli и С. золотистый . Наилучшие стыкованные комплексы получены для теллурида, легированного ниобием (NbTe ₄ ) (см. фиг. 10) с еноил- [ацил-протеин-носитель] редуктазой (FabI) ​​и бета-кетоацил-ацил-протеин-синтазой III (FabH) S. золотистый и Э. coli соответственно.

Структура теллурида, легированного ниобием (NbTe ₄ ) в 2D и 3D виде

Оценка стыковки, полученная для конфигурации с наилучшей стыковкой NbTe ₄ с бета-кетоацил-ацил-синтазой белка-носителя III (FabH) E. coli было -4,361 ккал / моль. NbTe ₄ НЧ образуют H-связывающие взаимодействия с Ala246 и Ile156 с расстоянием связи 1,4 Å и 1,5 Å, как показано на рис. 11. Кроме того, еноил- [ацил-белок-носитель] редуктаза (FabI) ​​представляет собой еще один важный фермент Путь биосинтеза жирных кислот и его ингибирование могут привести к гибели бактерий. Показатель связывания -3,829 ккал / моль, полученный для стыковки NbTe ₄ НЧ в активном кармане FabI объясняется взаимодействием водородных связей с Met12 и контактом металла с Gly13, как показано на рис. 12.

Связывающий паттерн взаимодействия NbTe ₄ НЧ с остатками активного центра бета-кетоацилацил-синтазы белка-носителя III (FabH) из E. coli

Связывающий паттерн взаимодействия NbTe ₄ НЧ с остатками активного центра еноил- [ацил-белок-носитель] редуктазы (FabI) ​​из S. золотистый

Результаты in silico хорошо согласуются с антимикробной активностью, где NbTe ₄ НЧ показали наибольшие зоны ингибирования, что позволяет предположить, что они являются потенциальным ингибитором ферментов FabH и FabI, принадлежащих к пути биосинтеза жирных кислот. Важно снять опасения относительно потенциального токсического действия этих наночастиц как на людей, так и на животных. О токсическом воздействии металлического ниобия на людей до сих пор не сообщалось; однако для животных он показал более высокую токсичность по сравнению с танталом и другими протестированными редкими элементами. Ингибирующее действие ниобия на фермент янтарной дегидрогеназы печени мыши было впервые замечено Horecker et al. [87] и позже исследован Cochran и его коллегами [88], которые приписали токсичность ниобия его вмешательству в ферментативные реакции, активируемые металлами. Биохимия теллура с точки зрения токсикологии человека и животных изучена в меньшей степени, чем биохимия селена. Хотя теллур и селен имеют много химического сходства, о питательной роли теллура никогда не сообщалось. Более того, сообщалось, что небольшие концентрации Те вызывают как хроническую, так и острую токсичность у различных организмов [89]. В биологической среде Те ведет себя иначе, поскольку он менее растворим в физиологическом PH и легко окисляется до теллурита (TeO ₃ ⁻² ), теллурат (TeO ₄ ⁻² ), или TeO ₂ по сравнению с Se. Диоксид теллура нерастворим в воде при биотическом PH и восстановленном продукте теллура H ₂ Te легко разлагается под действием света и воздуха по сравнению с H ₂ Se. Эти характеристики, приписываемые теллуру, делают его менее биотоксичным элементом, чем селен. Как и у других млекопитающих, после инъекции солей теллура человеку происходит восстановление и метилирование, что приводит к образованию Te ⁰ и (CH ₃ ) ₂ Те, которые выводятся из организма через дыхание, мочеиспускание и потоотделение [90].

Выводы

Соединения двух классов, а именно селениды и теллуриды переходных металлов (Ta и Nb), были успешно синтезированы с составами TaSe ₃ , Nb ₂ Se ₃ , и TaTe ₄ , NbTe ₄ с помощью стандартной твердотельной техники. Кристаллографические и морфологические данные указывают на кристаллизацию моноклинных селенидов и тетрагональных теллуридов, что указывает на тенденцию к агломерации частиц в нанорежиме. Расчетный средний размер кристаллитов (~ 10-22 нм) и расстояние d (0,31 нм) плоскости (111) и (0,34 нм) плоскости (002), полученные с помощью XRD, соответствовали результатам HR-TEM. Присутствие всех составляющих элементов (Ta, Nb, Se, Te и O) в соответствующих образцах в соответствии с их относительными атомными пропорциями было подтверждено спектрами EDS. Пики пропускания и поглощения в спектрах FTIR и комбинационного рассеяния, полученных от НЧ, указывают на присутствие Nb-O / Te-O, TaO ₆ , NbO ₄ , Se-O / Ta ₂ О ₅ Структурные единицы Se-O / Nb-O. Оптические свойства показали, что обе группы извлеченных продуктов представляют собой полупроводники с большой шириной запрещенной зоны (3,82–3,99 эВ), в то время как NbTe ₄ и TaSe ₃ проявляют хороший каталитический потенциал по сравнению с TaTe ₄ и Nb ₂ Se ₃ из-за незначительных различий в их строении. Кроме того, значительная антибактериальная эффективность кластеров теллурида против (G + ve) Staphylococcus aureus и (G –ve) Escherichia coli предположил, что теллуриды переходных металлов являются многообещающими бактерицидными препаратами по сравнению с классом переходных металлов селенидов. Исследование молекулярного докинга NbTe ₄ кристаллы показали замечательную оценку связывания и механизм взаимодействия внутри активного сайта целевых белков, что позволяет предположить, что он может быть использован в качестве потенциального ингибитора ферментов FabH и FabI и может быть дополнительно исследован на предмет его ингибирующих характеристик.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

Пример:

Энергия запрещенной зоны

EDS:

Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

FESEM:

Сканирующий электронный микроскоп с автоэмиссией

FTIR:

Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье

(G + ve):

Грамположительный

(G –ve):

Грамотрицательный

HR-TEM:

Просвечивающий электронный микроскоп высокого разрешения

JCPDS:

Объединенный комитет по стандартам порошковой дифракции

МБ:

Метиленовый синий

нм:

Нанометр

Nb:

Ниобий

PL:

Фотолюминесценция

УФ-видимый:

Ультрафиолетовая видимая спектроскопия

Ta:

Тантал

XRD:

Рентгеновская дифракция