遷移金属（NbおよびTa）のセレン化物およびテルル化物のその触媒的、抗菌的、および分子的ドッキング性能に関する比較研究

はじめに

遷移金属カルコゲニドTMC（M =Ti、V、Nb、Ta、Mo、Wなど; C =S、Se、Te）は、電子機器、エネルギーなどの多くの産業分野での使用に適した非常に有望な材料です。変換と貯蔵、光起電、熱電、および触媒作用[1、2]は、それらの望ましい光学的、電気的、および電気化学的特性[3]によるものです。最近、ニオブとタンタルをドープしたセレン化物とテルル化物は、半導体、IRから可視光へのトポロジカル変換[4、5]、ガスセンサー[6]、レーザーダイオード、医療診断などの用途での使用の可能性から大きな注目を集めています。 、光検出デバイス、光触媒[7]、超伝導体、トポロジカル絶縁体または半金属[8]。一般に、遷移金属カルコゲニドはMC ₂ として存在します 、MC ₃ 、およびMC ₄ Mが遷移金属として知られており、C =S、Se、またはTeであるシステム[9]。下部セレン化物およびテルリド、MC ₂ は、八面体サイト[11]の層間に金属原子が配置された、高度に層化された2次元（2D）構造[10]を持っています。遷移金属ジカルコゲナイド、グラフェン（2004年に発見された最初の2D材料）[12]、黒リン、および六方晶窒化ホウ素[13]を含む2次元（2D）材料は、その独自の電子的、構造的、光学的、および磁気的特性により広く研究されてきました。プロパティ[14]。一方、MC ₃ およびMC ₄ 明らかに非層状の構造であり、MCの無限の鎖を持つ準1次元構成[15、16]で結晶化します。化学式は両方のファミリーで類似しているように見えますが、構造的にはわずかに異なります。これらの構造の違いにより、電気輸送特性にばらつきが生じます[17、18、19]。テルルの結晶構造、電子配置、および物理的特性において硫化物やセレン化物と区別する重要な特徴は、Teの原子番号が大きいことです。 Teの原子価軌道の拡散特性[20]とその共有結合性[21]は、強いスピン軌道（SO）結合[22]をもたらします。現在、強いSO結合を持つ材料は、物性物理学で大きな関心を集めています[23]。この点で、低次元の準（1D）テルリド（NbTe ₄ ）原子番号の大きいものは調査中です[21、24]。さまざまな分野でのTMのナノ構造セレン化物およびテルル化物の増大する需要を満たすために、ソルゲル[7、25、26]、エレクトロスピニング[27]、配向付着プロセス[28]を含む多くのアプローチがこれらの材料を合成するために採用されています。 、29]、化学蒸着[30]、有機溶液ベースの高温合成[31]、テンプレート指向法[32]、および熱水/ソルボサーマル反応[33]。

さまざまな産業からの排水として排出される有機染料および顔料の毒性によって引き起こされる実質的な環境汚染は、依然として世界レベルでの健康リスクの主要な原因となっています。これらの非生分解性廃棄物は、複雑な芳香族構造、親水性、および光、化学物質、温度に対する安定性[35、36]のため、従来の水処理方法[7、34]では排除できません。したがって、効果的で、便利で、経済的な分解技術の開発が最近最も注目されている[37]。現在まで、染料で汚染された廃水を処理するために、物理的、生物学的、および化学的方法に基づくさまざまな慣行が採用されてきました[38]。これらの方法は、資本コストが高く、効率が低く、停滞し、エネルギー投入量が多いため、実用性に欠けています。それどころか、接触還元プロセスは、比較的迅速で、安価で、低温処理であるため、好ましい選択肢です[35、37]。この点で、VSe ₂ などのいくつかの遷移金属カルコゲニド （光触媒およびスーパーキャパシタ）[39]、YbドープWTe ₃ （超短レーザーおよび増幅器）[40、41]、TaSe ₃ （超伝導体）、TaSおよびNbSe ₃ （半導体）は文献で報告されています[7、27]。ここで、NaBH ₄ によるメチレンブルー（MB）の接触還元の研究にはあまり注意が払われていないことを指摘するのが適切です。 ここで研究した化合物を利用することによって。

生物医学の分野では、金属複合材料の抗菌特性が長い間認識されており、医学の歴史の中で最も驚くべき革新のいくつかにうまく使用されてきました[42、43]。遷移金属の中で、Ta化合物は、非反応性、非毒性、および生体適合性があるため、優れた抗菌剤として報告されています。一方、殺生物剤として使用されるNb複合材料の研究はかなり限られています[44]。

以上のことから、遷移金属（Nb、Ta）のセレン化物とテルル化物を合成し、それらの触媒特性と抗菌特性を評価して比較研究を行うことを意図しました。私たちの知る限り、そのような比較調査はこれまで報告されていません。セレニド（TaSe ₃ ）の合成には固体技術を使用しました 、Nb ₂ Se ₃ ）およびテルリド（TaTe ₄ 、NbTe ₄ ）および分離された生成物は、元素分析、FTIR、ラマン、EDS、FESEM、HRTEM、およびUV-Vis分光法によって特性評価されました。さらに、分子ドッキング研究を実施して、NPと Eを含む局所的に単離された細菌株の細胞タンパク質との結合相互作用パターンを評価した。コリ および S。アウレウス 。本研究の目的は、遷移金属のテルリドとセレン化物の触媒、マイクロサイド、および分子ドッキング性能の比較挙動を評価することでした。

メソッド

現在の研究は、遷移金属のテルリドとセレン化物の比較挙動を評価して、それらの触媒、微小殺虫特性、および分子ドッキング分析を調査することを目的としています。

化学薬品

五塩化ニオブ-NbCl ₅ （99％）、五塩化タンタル-TaCl ₅ （99.8％）、二酸化セレン-SeO ₂ （≥99.9％）、二酸化テルル-TeO ₂ （≥99％）、メチレンブルー（MB）、水素化ホウ素ナトリウム（NaBH ₄ ）、および硝酸HNO ₃ （65％）は、Sigma-Aldrichから入手しました。塩酸-HCl（37％）はRiedel-deHaenから入手しました。王水を使用してガラス器具を洗浄した後、再蒸留水で2回すすいだ。栄養寒天培地はメルクから購入しました。細菌株の純粋な培養物は、G.C。の動物学部から提供されました。大学、ラホール。使用前に追加の精製処理は行われませんでした。

遷移金属セレン化物とテルル化物の合成

（TaTe ₄ の組成を持つ遷移金属（Ta＆Nb）のテルリドとセレン化物の2つのグループ 、NbTe ₄ ）および（TaSe ₃ 、Nb ₂ Se ₃ ）、それぞれ、標準的な固体技術を介して合成されました（図1を参照）。前駆体金属塩化物（TaCl ₅ 、m.p：216°CおよびNbCl ₅ 、m.p：204.7°C）それぞれを完全に混合し、カルコゲン酸化物（TeO ₂ 、m.p：732°CおよびSeO ₂ 、m.p：340°C）15分間）粒子間の接触面積を高め、均一性を確保します。得られた混合物を、550℃に48時間保持したマッフル炉に入れることにより溶融した。最初に、炉の温度は50°C / hの速度で上げられました。その後、炉を10℃/ hの速度で室温まで冷却し、生成物を抽出した。前駆体金属塩化物中の塩素は、次の可能なメカニズムによって示されるように、高温にさらされると酸化します[45]。

金属セレン化物とテルル化物の合成の概略図

触媒作用

合成されたナノコンポジットの触媒作用の可能性は、NaBH ₄ の存在下でのメチレンブルー-MBの還元率を測定することによって評価されました。 。 MBはカチオン染料であり、化学実験室で酸化還元指示薬として広く使用されています。 1ミリモルのMB溶液を脱イオン水で希釈した後、400μlの新たに調製した水素化ホウ素ナトリウム-NaBH ₄ を添加しました。 その中の溶液（100 mM）。その後、合成された化合物を溶液に組み込み、5分間撹拌した。サンプルの脱色は、水素化ホウ素ナトリウムの存在下でのMBからロイコメチレンブルー（LMB）への変換を表します（式2を参照）。反応を分光光度計でモニターし、665 nmでの吸収を、25°Cで250〜750nmの範囲で一定の時間間隔で記録しました。

抗菌作用

合成された材料の殺菌作用は、グラム陽性（G + ve）黄色ブドウ球菌に対するディスク拡散アッセイによって研究されました。 グラム陰性菌（G –ve） Escherichia coli 無菌条件下でWhatman濾紙をディスクとして使用します。 1×10 ⁷ を含む細菌培養 CFU / mLを栄養寒天プレートに広げ、さまざまな濃度（0.25、0.5、および1 mg / ml）を使用して、ネガティブコントロールとしての脱イオン水（DIW）と比較した合成ナノコンポジットの感受性を確認しました。接種した寒天プレートを37℃で一晩好気的にインキュベートし、阻害ゾーンをメータースケール（mm）（Image Jソフトウェア）を使用して測定しました。実験を3回繰り返すことで、結果の再現性と信頼性が確保されました。

材料の特性評価

合成された生成物の構造と結晶相に関する情報は、Cu-Kα放射線（λ）を使用して40kVおよび30mAで動作するX線回折計（モデル：PANalytical X’Pert PRO）で取得されました。 =1.540Å）スキャン速度0.02°/ sで20〜80°の2θ変動。フィリップス独自のソフトウェアであるX’Pertハイスコアプラスは、カーブフィッティングと統合に使用されました。形態学的特性と元素組成は、エネルギー分散型X線EDS分光計を備えた（JSM-6460LV）FESEMを介して達成されました。さらに、モデルPhilips（CM30）およびJEOL（JEM 2100F）のHRTEMを使用して、層間の間隔を評価しました。光学特性は、120〜1100 nmの範囲で動作するUV-Vis（GENESYS 10S）分光光度計を使用して決定されました。 FTIRは、4000〜400 cm ^-1 の範囲で使用されるPerkinElmer分光計を介して官能基を検出するために使用されました。 。ラマン散乱実験は、532nmの波長に焦点を合わせた励起源としてダイオードレーザーを備えたラマン分光計を使用して粉末サンプルで実施されました。

分子ドッキング研究

殺菌活性の根底にあるメカニズムを理解するために、合成されたテルリドとセレニドの分子ドッキング研究が行われました。これは、細菌の生存と成長に不可欠なタンパク質を標的にすることによって行われました。分子ドッキング研究のために、さまざまな生合成経路に属する複数のタンパク質ターゲット、すなわちβが選択されました。 -ラクタマーゼ、ジヒドロ葉酸レダクターゼ、エノイル-[アシル-キャリア-タンパク質]レダクターゼ（FabI）、およびベータ-ケトアシル-アシルキャリアタンパク質シンターゼIII（FabH）。 β -ラクタマーゼとジヒドロ葉酸レダクターゼは、それぞれ細胞壁と葉酸の生合成において極めて重要な役割を果たします。これは細菌の生存に必要です。同様に、FabHおよびFabI酵素は、細菌細胞の脂肪酸生合成経路の重要なステップを触媒します[46,47,48]。

E.coliおよびS.aureusの標的タンパク質の高品質の結晶構造が、タンパク質データバンクから取得されました（図2）。 PDB IDのタンパク質：3Q81;解像度：2.1Å[49]、1RD7;解像度：2.6Å[50]、4D41;解像度2.3Å[51]、5BNR;解像度：1.9Å[52]は、ナノ粒子とタンパク質のアクティブなポケット残基の間の分子相互作用を理解するために選択されました。

標的タンパク質の3D構造。 a ベータラクタマーゼ（PDB：3Q81; 黄色ブドウ球菌 ）。 b FabI（PDB：4D41; 黄色ブドウ球菌 ）。 c FabH（PDB：5BNR; E.coli ）。 d DHFR（PDB：1RD7; E.coli ）

ICM v3.8-4a以上（Molsoft L.L.C.、カリフォルニア州ラホーヤ）ソフトウェアが分子ドッキング研究に使用されました[53]。 ICM Molsoftの受容体調製ツールは、 を含むタンパク質構造の調製に使用されました。 水分子と共結晶化リガンドの除去。さらに、エネルギーの最小化とタンパク質構造の最適化は、デフォルトのパラメータと力場を使用して行われました。その後、結合ポケットは a を使用して指定されました グリッドボックスとベスト10 - ナノ粒子と活性部位残基との相互作用パターンを調べるために、ドッキングされたコンフォメーションが生成されました。

以前に報告されたテルリドとセレニドの構造は、PubChemから.cif形式で取得され、Taドープ、Nbドープテルリドの調製に使用されました 、 the を使用したセレニド構造 ICMMolsoftのGaussian09ソフトウェアおよびリガンド調製ツール。

結果と考察

図3aは、550°Cでのアニーリング後に調製された複合材料のXRDパターンを示しています。すべてのサンプルの特徴的なピークは、JCPDSのデータベースと厳密に一致していました。テルライドグループでは、TaTe ₄ の正方晶構造 （♦）C1（Brandon and Lessard 1983による）[16、54]およびNbTe ₄ （♥）C2（JCPDS 77-2283）[55]は、XRDパターンで特定された主要なフェーズでした。一般的な回折ピーク（αとしてマーク） ）21.8°（101）、26.1°（110）、28.6°（111）、29.8°（102）、48.4°（212）、55.1°（114）、62.2°（302）、75.1°（322）、 77.7°（106）は、TeO ₂ の未反応の正方晶構造にインデックスを付けることができます。 （m.p：732°C）（JCPDSカードNo.78-1713）[56]。セレニド基、C3およびC4の場合、TaSe ₃ の単斜晶相 （♠）JCPDSファイル：18-1310 [7、57]およびNb ₂ Se ₃ （*）JCPDSカード番号01-089-2335 [1]がそれぞれ検出され、hkl平面に割り当てられました。さらに、それぞれの遷移金属酸化物もまた、調製されたままのサンプルで形成された。 C3回折ピーク（β ）（001）および（1110）面に対応する2θ=22.8°および28.4°で、斜方晶系Ta ₂ に帰属しました。 O ₅ （JCPDS 025-0922）[45]に従ったフェーズ。 23.7（110）、27.2（-213）、36.7（115）、および50.1（308）に位置するC4によって示されるピークは、単斜晶系Nb ₂ に起因する可能性があります。 O ₅ （γ ）（JCPDSファイルNo. 37-1468）[58]で報告されています。 C1、C2、C3、およびC4ナノ粒子の平均結晶子サイズ（それぞれ22.2、22.16、26.7、および10.04 nm）は、Debye-Scherrerの式に従ってFWHMを使用して計算されました。成長したナノ粒子の結晶組織の追加の確認は、HR-TEMの選択領域電子回折（SAED）パターンを使用して達成されました。 SAEDとXRDの両方の回折技術は互いに類似しています。ただし、前者は単色X線の代わりに電子ビームを使用する点でのみ異なります[59]。 XRDは、結晶構造の識別に使用される主要な手法ですが、不均一なナノ結晶サンプルにはほとんど使用できません。 X線と電子のみの相互作用が比較的弱いためにのみ電子密度分布を検出できますが、高分解能TEMでは、電子ビームは電場と核場の両方と強く相互作用するため、 X線回折のそれ[59、60]。図3b-eは、XRDの結果と一致するhkl反射面にインデックス付けされた同心リングを持つ対応するサンプルの（SAED）パターンを示しています[61、62]。 SAEDパターン（bおよびc）のいくつかの同心円の明るい反射スポットは、合成されたナノコンポジットが結晶性であることを示し、これらの明るいリングで観察された弱い反射はアモルファス化合物の存在を明らかにしました。さらに、（d）のSAEDリングに輝点がなく、（e）に点がほとんどないことは、それぞれこれらのナノ構造のアモルファスおよびわずかな結晶性を示しています[63、64]。結晶構造をさらに詳しく知るために、C1とC2のHRTEMを実行し、結果を図3f、gに示します。 HRTEM画像の明確な格子縞は、ナノ粒子の高い結晶化度[65]を示しており、d間隔は約0.315および0.347 nmであり、正方晶TeO ₂ の（111）面の面間距離によく対応します。 （JCPDSno。78-1713）、および（002）正方晶NbTe ₄ の平面 （JCPDS 77-2283）[55]、それぞれ。

a XRDパターン。 b-e C1、C2、C3、およびC4サンプルのSAED画像（550 ° C）48時間。 f-g 格子縞の間隔を示すナノ結晶（C1およびC2）のHRTEM顕微鏡写真

NPの表面形態と結晶構造をさらに詳しく説明するために、550°Cで48時間のアニーリング後に合成された最終製品の代表的なFESEMおよびHRTEM画像を図4に示します。テルライドグループ（aおよびb）のFESEM顕微鏡写真は、C1にフレーク状の微結晶を持っていますが、C2には、平均直径22nmで凝集する傾向のある不均一な不規則な形状の粒子が観察されます。セレニド基（cおよびd）のFESEM画像は、平坦な表面（C3）に分散したプレート/ディスクのような構造を示し、粒子の凝集は、NPのサイズが10〜27nmのC4形態で観察できます。これらの構造は、高倍率のTEMで調べるとより明確になり（図4e-hを参照）、挿入図（左上の50 nmの解像度）でもナノ粒子の形成が確認されます。

a-d マイクロメートルスケールのFESEM。 e-h 高倍率の挿入図を使用したC1、C2、C3、およびC4NPの低倍率HRTEM顕微鏡写真

エネルギー分散型X線分光法（EDS）を利用して、合成されたナノコンポジットの元素組成を決定しました。 EDSスペクトル（図5）により、それぞれのサンプルにすべての構成元素（Ta、Nb、Te、Se、およびO）が存在することが確認されました。スペクトルから、準備されたサンプルは、C1に16.0 wt％のTaと65.6 wt％のTe、C2に15 wt％のNbと66.3 wt％のTeを持っていることが示され、これらの値は元素の相対原子比と一致しています。 （〜1：4）化合物TaTe ₄ に存在 およびNbTe ₄ 、 それぞれ。炭素と銅の信号は、FESEM測定に使用される炭素被覆サンプルとCuグリッドから発生します[7、66]。固体合成の結果として形成される結果として生じる生成物の純度を保証するスペクトルには、汚染に関連する他のピークや元素は観察されませんでした。

C1、C2、C3、およびC4サンプルのEDSスペクトル

合成された複合材料C1、C2、C3、およびC4の化学結合と官能基の性質は、400〜4000 cm ^-1 の範囲で実施されたFTIR研究によって解明されました。 （図6a）。 3432および1627cm ^-1 で観測された有意な透過帯域 O-Hグループの伸縮頻度に関連しています[7]。テルリドスペクトルC1およびC2では、658 cm ^-1 で観測された強いピーク 三方両錐（tbp）TeO ₄ のTe-O結合の伸縮振動に対応します。 単位[67]、776 cm ^-1 の振動バンド C1 [68]およびNbO ₄ にTa-O-Ta結合が存在することを示しています C2の四面体ユニット[69]。調製されたセレン化合物複合材料C3およびC4のスペクトルは、700 cm ^-1 付近の伸縮振動モードによるSe-O結合の存在を示しています。 [70] 700-900 cm ^-1 の領域で透過するピーク C3ではTa-O-Ta結合[3]、C4ではNb-O結合[69]として金属酸化物結合に割り当てられます。ラマン分光法は50-1050cm ^-1 の範囲で実施されました。 合成された複合材料のさまざまな構造単位を開示する（図6b）。テルライドサンプル（C1、C2）のラマン散乱は、100-250、350-450、および550-850 cm ^-1 を含む3つの領域で観察されました。 。 100-250 cm ^-1 の最初の領域 C1のTa-Oユニットの伸縮振動、Nb-O-Nbリンケージの振動曲げ、Nb ₂ に対応します。 O ₅ C2の八面体[71,72,73,74]。 2番目の領域の有望なピーク350-450cm ^-1 これは、Te-O-Te結合の対称的な伸縮に起因します[75]。 3番目のセクションは550-850cm ^-1 にある広帯域で構成されています ターミナルTa-O結合、Te-O / Nb-O伸縮振動、およびTaO ₆ のラマンモードと対称です。 / Nb ₂ O ₅ それぞれC1とC2の八面体モード[71,72,73,74]。セレニド化合物の場合、C3およびC4（XRDおよびHRTEMの結果で観察されるように、サンプルはアモルファスであるか、結晶化度が低い）ラマンシフトは580〜780 cm ^-1 の間でのみ観察されます。 、Ta ₂ の存在を示します O ₅ 末端のSe-O架橋振動[76]に加えて、C30の部分[68]およびC4のNb-O結合の伸長[72、73]。合成されたナノコンポジットのスペクトルで観察されたラマン散乱と振動モードは、XRDデータから得られた構造関係と相関しています。

a FTIRスペクトル。 b C1、C2、C3、およびC4のラマンスペクトル

調製されたままのサンプルC1、C2、C3、およびC4の光学測定と追加の構造特性は、UV-Vis（GENESYS 10S）分光光度計を使用して285〜400nmの範囲で実行されました。図7aは、縦軸に沿った吸光度と横軸に沿った波長（nm）に対してプロットされた吸光度曲線を示しています。成長したすべてのサンプルは、250〜350 nmの範囲の吸光度曲線で示されるように、UVゾーンで吸光度を示しました[77、78]。 Ta ⁺⁵ の電子遷移により、テルリドとセレン化物の両方で、292nm付近の吸収端のすぐ下に強い吸収帯が観察されました。 、Nb ⁺⁵ イオン、および/またはTe / Se原子上の孤立電子対。吸収カットオフ波長は、光吸収の急激な増加が始まる場所で取得され[4]、複合材料の光バンドギャップを評価するために使用される波長です[79、80]。直接バンドギャップエネルギー（Eg）は、プロット（αhυ）によって推定されました。 ） ² y に沿って -軸とhυ x -軸に続いて、 x への線形近似を外挿します -軸（図7b）。 x の切片値 -軸（3.99、3.91、3.87、および3.82 eV）は、それぞれC1、C2、C3、およびC4の推定バンドギャップに対応します。これは、後続のNPがワイドバンドギャップ材料であることを示しています。

a UV-Visスペクトル。 b C1、C2、C3、およびC4のバンドギャップ

図8a-eは、NaBH ₄ の存在下でのメチレンブルーの触媒分解を示しています。 分光光度計を使用して調べたナノコンポジット。水素化ホウ素ナトリウムの存在下での染料の分解速度を図8aに示し、TaTe ₄ の触媒効率を示します。 （C1）、NbTe ₄ （C2）、TaSe ₃ （C3）、およびNb ₂ Se ₃ （C4）を図8b-eに示します。サンプルC2およびC3については、メチレンブルーの濃度が連続的に低下するため、有意な触媒活性が記録されました。図8c、dに示すように、MBからロイコメチレンブルーへの変換にはわずか3〜5分かかりました。図8b、eに示すように、サンプルC1およびC4では無視できるほどの触媒性能が認められました。低い触媒効率は、化学的に同形の構成を持っているにもかかわらず、MC鎖の材料の準次元配置に存在するわずかな構造の違いのために説明されるかもしれません[17、18、19]。合成されたナノコンポジットの色素分解曲線を図8fに示します。サンプルC2およびC3の劣化曲線は急激な低下を示していますが、他のサンプルの曲線は標準のMB曲線とわずかな違いを示しています。これは、サンプルC2およびC3が残りのサンプルと比較して高い触媒能を持っていることを示しています。メチレンブルーの分解率は、次の式を使用して計算されました。

MBを削減するための時間依存UV-Visスペクトル。 a NaBH ₄ を使用したMB 。 b NaBH ₄ を使用したMB + C1。 c NaBH ₄ を使用したMB + C2。 d NaBH ₄ を使用したMB + C3。 e NaBH ₄ を使用したMB + C4

劣化率=100 −（ C _t ×100 ∕ C _o ）（3）

ここで、MBの初期吸光度は C として表されます。 _o 時間 t での吸光度 C として表示されます _t 。サンプルC2（19.9％/ min）およびC3（33％/ min）によって、有意な染料分解の可能性が示されました。ただし、図8gに示すように、残りのサンプルでは無視できるほどのアクティビティが観察されました。疑似一次反応[81]を使用して、合成されたナノコンポジットの触媒効率を定量的に推定しました。次の式（式4）を使用して速度定数を計算しました。

ln [ C _o ∕ C _t ] = kt （4）

ここでは、 C _o は染料の初期濃度であり、 k 速度定数を表します[82]。図8hは、吸光度曲線から得られた速度定数値を示しています。これらの値は、C3、C2、C4、およびC1で、それぞれ1.0325 / min、0.776 / min、0.086 / min、および0.0803 / minです。高い速度定数を持つサンプルC3は、メチレンブルー分解に対してかなりの触媒能力を示します。同様に、C2も高い触媒効率を示しますが、残りのサンプルは効果的なナノ触媒として証明されていません。

寒天ディスク拡散アッセイを使用して、NbおよびTaの調製されたテルリド（C1、C2）およびセレニド（C3、C4）の抗菌感度を評価しました。 Eに対するサンプルについて阻害ゾーンを記録した。コリ および S。アウレウス 表1に示すように、テルライトグループの抗菌活性はC3およびC4よりも大きい（図9）。ただし、最大阻害ゾーンは、 Eの1mg / mlの濃度でサンプルC2について記録されました。コリ （35 mm）および S。アウレウス （32 mm）。同様に、サンプルC1もD4濃度で最大の阻害を示しました。つまり、 Eでは28mmと29.5mmです。コリ および S。アウレウス 、 それぞれ。ただし、D2およびD3の濃度は、D4よりも低い殺菌活性を示しました。この傾向は、ナノコンポジットの用量依存的な細胞毒性効果を表しています。相乗効果とNP濃度および阻害ゾーン（mm）の間に直接比例が観察されました[83]。棒グラフは、サンプルC3（TaSe ₃ ）の無視できる殺菌活性を表しています。 ）およびC4（Nb ₂ Se ₃ ）セレン（Se）は細菌の増殖を促進し、サンプルの抗菌力を低下させる必須微量栄養素であるため、セレン（Se）が存在するためです[84]。ナノ粒子濃度の増加に伴うテルライトの場合の細菌増殖の著しい減少は、特定の酵素の増殖を阻害する金属イオンの酸化還元反応の結果として酸化ストレスを引き起こす活性酸素種（ROS）の形成に起因します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.コリ および S。アウレウス 。 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.アウレウス および E。コリ それぞれ。

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.コリ 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.コリ

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

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 and (CH₃ ） ₂ Te that is eliminated from the body through breathing, urination, and sweating [90].

結論

The compounds of two classes namely selenides and tellurides of transition metals (Ta and Nb) were successfully synthesized with compositions of TaSe₃ , Nb₂ Se ₃ , 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 O ₅ 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 およびNb ₂ Se ₃ 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.

データと資料の可用性

すべてのデータは制限なしで完全に利用可能です。

略語

Eg:

Band gap energy

EDS：

エネルギー分散型X線分光法

FESEM：

電界放出型走査電子顕微鏡

FTIR：

フーリエ変換赤外分光法

(G + ve):

Gram positive

(G –ve):

Gram negative

HR-TEM：

High resolution transmission electron microscope

JCPDS：

Joint committee on powder diffraction standards

MB:

Methylene blue

nm:

Nanometer

Nb:

Niobium

PL：

フォトルミネッセンス

UV-Vis：

Ultra-violet visible spectroscopy

Ta:

Tantalum

XRD：

X線回折