Estudo Comparativo de Selenetos e Telúridos de Metais de Transição (Nb e Ta) com Relação ao seu Desempenho de Docking Catalítico, Antimicrobiano e Molecular

Resumo

A presente pesquisa é um estudo comparativo que relata um método econômico e acessível para sintetizar selenetos e teluretos de nióbio (Nb) e tântalo (Ta) com aplicação útil na remoção de poluentes em indústrias têxteis, de papel e tinturaria, bem como na área médica. . Neste estudo, o processo de estado sólido foi usado para gerar nanocompósitos e várias técnicas de caracterização foram empregadas para comparar dois grupos de materiais sob investigação. Estrutura, morfologia, constituição elementar e grupos funcionais dos materiais sintetizados foram analisados com XRD, FESEM acoplado com EDS, FTIR e espectroscopia Raman, respectivamente. Imagens HR-TEM exibiram partículas em nanoescala com estruturas de cristal tetragonal e monoclínica. As propriedades ópticas foram avaliadas em termos de comprimento de onda de corte e gap óptico usando espectroscopia UV-visível. Um comportamento comparativo de ambos os grupos de compostos foi avaliado no que diz respeito às suas propriedades catalíticas e microcidas. Nanocompósitos extraídos quando usados como catalisadores, embora isomorfos uns dos outros, mostraram comportamento marcadamente diferente na degradação catalítica do corante MB na presença de NaBH ₄ que foi empregado como um agente redutor. Esse desvio peculiar pode ser atribuído a pequenas diferenças estruturais entre eles. Escherichia coli e Staphylococcus aureus (Bactérias G –ve e + ve, respectivamente) foram designadas como cepas modelo para testes antibacterianos in vitro de ambos os clusters, empregando o método de difusão em disco. Eficácia antibacteriana superior foi observada para o sistema telureto (zonas de inibição significativas de 26-35 mm) em comparação com o sistema de seleneto (o diâmetro da zona de inibição variou de 0,8 mm a 1,9 mm). Além disso, o estudo de docking molecular foi realizado para determinar o padrão de interação de ligação entre NPs e sítios ativos na proteína celular alvo. As descobertas estavam de acordo com os resultados dos testes antimicrobianos, sugerindo NbTe ₄ para ser o melhor inibidor contra as enzimas FabH e FabI.

Introdução

Calcogenetos de metais de transição TMCs (onde M =Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, etc .; C =S, Se, Te) são materiais altamente promissores que são adequados para uso em uma série de setores industriais, incluindo eletrônicos, energia conversão e armazenamento, fotovoltaico, termoelétrico e catálise [1, 2] devido às suas desejáveis propriedades ópticas, elétricas e eletroquímicas [3]. Recentemente, selenetos e teluretos dopados com nióbio e tântalo têm recebido atenção significativa devido ao seu uso potencial em aplicações como em semicondutores, conversão superior de IR para luz visível [4, 5], sensores de gás [6], diodos de laser, diagnósticos médicos , dispositivos de fotodetecção, fotocatálise [7], supercondutores e isolantes topológicos ou semimetais [8]. Geralmente, os calcogenetos de metais de transição existem como MC ₂ , MC ₃ e MC ₄ sistemas onde M é conhecido como um metal de transição e C =S, Se ou Te [9]. Os selenetos e teluretos inferiores, MC ₂ , têm estrutura bidimensional (2D) altamente estratificada [10] com átomo de metal localizado entre as camadas em sítios octaédricos [11]. Materiais bidimensionais (2D), incluindo dichalcogenetos de metais de transição, grafeno (primeiro material 2D descoberto em 2004) [12], fósforo preto e nitreto de boro hexagonal [13], foram amplamente explorados devido aos seus únicos componentes eletrônicos, estruturais, ópticos e magnéticos propriedades [14]. Por outro lado, MC ₃ e MC ₄ são estruturas aparentemente sem camadas que se cristalizam em configurações quase unidimensionais [15, 16] com cadeias infinitas de MC. Embora, a fórmula química pareça ser semelhante para ambas as famílias, mas estruturalmente são ligeiramente diferentes uma da outra. Essas diferenças estruturais dão origem a variações em suas propriedades de transporte elétrico [17,18,19]. Uma característica importante dos teluretos que os distingue dos sulfetos e selenetos em sua estrutura cristalina, configuração eletrônica e propriedades físicas é o grande número atômico de Te. O caráter difusivo dos orbitais de valência [20] do Te e sua natureza mais covalente [21] resulta em forte acoplamento spin-orbital (SO) [22]. Atualmente, materiais com forte acoplamento SO são de grande interesse na física da matéria condensada [23]. A este respeito, a supercondutividade em quase teluretos de baixa dimensão (1D) (NbTe ₄ ) com um grande número atômico está sob investigação [21, 24]. Para atender à demanda crescente de selenetos nanoestruturados e teluretos de TM em vários campos, uma série de abordagens foram adotadas para sintetizar esses materiais, incluindo sol-gel [7, 25, 26], eletrofiação [27], processo de fixação orientada [28 , 29], deposição de vapor químico [30], síntese de alta temperatura baseada em solução orgânica [31], método dirigido por modelo [32] e reação hidrotérmica / solvotérmica [33].

A poluição ambiental substancial causada pela toxicidade de corantes orgânicos e pigmentos descartados como efluentes de várias indústrias continua sendo uma importante fonte de risco à saúde em nível global. Não é possível eliminar esses resíduos não biodegradáveis por meio de métodos convencionais de tratamento de água [7, 34] devido às suas estruturas aromáticas complexas, hidrofilicidade e estabilidade contra luz, produtos químicos e temperatura [35, 36]. Portanto, o desenvolvimento de técnicas de degradação eficazes, convenientes e econômicas tem recebido atenção primordial recentemente [37]. Até o momento, várias práticas baseadas em métodos físicos, biológicos e químicos foram adotadas para tratar águas residuais poluídas com corantes [38]. Esses métodos carecem de utilidade prática devido ao alto custo de capital, baixa eficiência, lentidão e alto consumo de energia. Pelo contrário, o processo de redução catalítica é uma opção preferida, uma vez que é relativamente rápido, barato e tratamento de baixa temperatura [35, 37]. A este respeito, vários calcogenetos de metais de transição, como VSe ₂ (fotocatalisador e supercapacitor) [39], WTe dopado com Yb ₃ (laser ultracurto e amplificador) [40, 41], TaSe ₃ (supercondutor), TaS e NbSe ₃ (semicondutores) foram relatados na literatura [7, 27]. Aqui, é pertinente apontar que muito menos atenção foi dada ao estudo da redução catalítica do azul de metileno (MB) com NaBH ₄ utilizando compostos estudados aqui.

No campo biomédico, as propriedades antimicrobianas dos compósitos metálicos foram há muito reconhecidas e usadas com sucesso por algumas das inovações mais extraordinárias da história da medicina [42, 43]. Entre os metais de transição, os compostos Ta são relatados como bons agentes antimicrobianos por não serem reativos, não tóxicos e biocompatíveis. Considerando que, pesquisas sobre compósitos de Nb usados como agentes biocidas são bastante limitadas [44].

Diante do exposto, pretendemos sintetizar selenetos e teluretos de metais de transição (Nb, Ta) e realizar um estudo comparativo avaliando suas propriedades catalíticas e antimicrobianas. Até onde sabemos, tal investigação comparativa não foi relatada até o momento. Técnica de estado sólido foi usada para sintetizar selenetos (TaSe ₃ , Nb ₂ Se ₃ ) e teluretos (TaTe ₄ , NbTe ₄ ) e os produtos isolados foram caracterizados por meio de análise elementar, FTIR, Raman, EDS, FESEM, HRTEM e espectroscopia de UV-Vis. Além disso, o estudo de docking molecular foi realizado para avaliar o padrão de interação de ligação de NPs com proteínas celulares de cepas bacterianas isoladas localmente, incluindo E. coli e S. aureus . O objetivo do presente estudo foi avaliar o comportamento comparativo de teluretos e selenetos de metais de transição em relação ao seu desempenho catalítico, microcida e de docking molecular.

Métodos

O presente estudo teve como objetivo avaliar o comportamento comparativo de teluretos e selenetos de metais de transição para investigar suas propriedades catalíticas, microcidas e análise de docking molecular.

Químicos

Pentacloreto de nióbio-NbCl ₅ (99%), pentacloreto de tântalo-TaCl ₅ (99,8%), dióxido de selênio-SeO ₂ (≥ 99,9%), dióxido de telúrio-TeO ₂ (≥ 99%), azul de metileno (MB), boro-hidreto de sódio (NaBH ₄ ) e ácido nítrico HNO ₃ (65%), foram obtidos da Sigma-Aldrich. O ácido clorídrico-HCl (37%) foi adquirido da Riedel-de Haen. Água régia foi usada para lavar os vidros, seguida de enxágue com água bidestilada duas vezes. O ágar nutriente foi adquirido na Merck. Culturas puras de cepas bacterianas foram fornecidas pelo Departamento de Zoologia, G.C. University, Lahore. O tratamento de purificação adicional não foi realizado antes do uso.

Síntese de selenetos e teluretos de metais de transição

Dois grupos, nomeadamente teluretos e selenetos de metais de transição (Ta &Nb) com composições de (TaTe ₄ , NbTe ₄ ) e (TaSe ₃ , Nb ₂ Se ₃ ), respectivamente, foram sintetizados por meio da técnica de estado sólido padrão (ver Fig. 1). Cloretos de metal precursor (TaCl ₅ , p.f .:216 ° C e NbCl ₅ , p.f .:204,7 ° C) cada um foi completamente misturado e moído com óxidos de calcogênio (TeO ₂ , p.f .:732 ° C e SeO ₂ , p.f .:340 ° C) por 15 min para aumentar a área de contato entre as partículas e garantir a homogeneidade. A mistura resultante foi fundida colocando-a em uma mufla mantida a 550 ° C por 48 h. Inicialmente, a temperatura do forno foi elevada à taxa de 50 ° C / h. Em seguida, o forno foi resfriado a uma taxa de 10 ° C / h até a temperatura ambiente e os produtos foram extraídos. O cloro no cloreto de metal precursor oxida quando sujeito a alta temperatura, como mostrado pelo seguinte mecanismo possível [45].

Catálise

O potencial catalítico do nanocompósito sintetizado foi avaliado medindo a taxa de redução do azul de metileno-MB na presença de NaBH ₄ . MB é um corante catiônico, amplamente utilizado em laboratórios de química como indicador redox. Um milimolar de solução MB foi diluído com água desionizada seguido pela adição de 400 μl de borohidreto de sódio-NaBH recém-preparado ₄ solução (100 mM) nele. Posteriormente, os compostos sintetizados foram incorporados à solução e agitados por 5 min. A descoloração da amostra representa a conversão de MB em azul de leucometileno (LMB) na presença de boro-hidreto de sódio (ver equação 2). A reação foi monitorada espectrofotometricamente e a absorção a 665 nm foi registrada em intervalos de tempo regulares a 25 ° C no intervalo de 250–750 nm.

Atividade Antimicrobiana

A ação bactericida do material sintetizado foi estudada através do ensaio de difusão em disco contra gram-positivos (G + ve) Staphylococcus aureus e gram-negativo (G –ve) Escherichia coli usando papéis de filtro Whatman como disco em condições assépticas. Culturas bacterianas contendo 1 × 10 ⁷ CFU / mL foram espalhados em placas de ágar nutriente enquanto várias concentrações (0,25, 0,5 e 1 mg / mL) foram utilizadas para verificar a susceptibilidade dos nanocompósitos sintetizados em comparação com água deionizada (DIW) como controle negativo. As placas de ágar inoculadas foram incubadas aerobicamente durante a noite a 37 ° C e as zonas de inibição foram medidas usando a escala do medidor (mm) (software Image J). A reprodutibilidade dos resultados, bem como a confiabilidade, foram garantidas pela repetição da experiência três vezes.

Caracterização de materiais

As informações sobre a estrutura e as fases cristalinas dos produtos sintetizados foram obtidas com difratômetro de raios-X (modelo:PANalytical X’Pert PRO) operando a 40 kV e 30 mA usando radiação Cu-Kα ( λ =1,540 Å) com variação 2θ de 20-80 ° a uma taxa de varredura de 0,02 ° / s. O software proprietário da Philips, X’Pert high score plus foi usado para ajuste e integração de curvas. As propriedades morfológicas e a composição elementar foram obtidas via (JSM-6460LV) FESEM equipado com um espectrômetro EDS de energia dispersiva de raios-X. Além disso, o espaçamento entre as camadas foi avaliado com o auxílio do HRTEM dos modelos Philips (CM30) e JEOL (JEM 2100F). As características ópticas foram determinadas usando espectrofotômetro UV-Vis (GENESYS 10S) operado em uma faixa de 120 a 1100 nm. O FTIR foi contratado para detectar os grupos funcionais por meio do espectrômetro Perkin Elmer usado na faixa de 4000-400 cm ⁻¹ . Os experimentos de espalhamento Raman foram conduzidos em amostras em pó com espectrômetro Raman equipado com laser de diodo como uma fonte de excitação focada em um comprimento de onda de 532 nm.

Estudo de acoplamento molecular

O estudo de docking molecular de teluretos e selenídeos sintetizados foi realizado para compreender o mecanismo subjacente à atividade bactericida. Isso foi realizado visando proteínas cruciais para a sobrevivência e crescimento bacteriano. Múltiplos alvos de proteína pertencentes a várias vias biossintéticas foram selecionados para estudo de docking molecular, a saber, β -lactamase, dihidrofolato redutase, enoil- [acil-carreadora-proteína] redutase (FabI) e beta-cetoacil-acil carreadora de proteína sintase III (FabH). O β -lactamase e dihidrofolato redutase desempenham um papel fundamental na biossíntese da parede celular e ácido fólico, respectivamente, que é necessário para a sobrevivência bacteriana. Da mesma forma, as enzimas FabH e FabI catalisam as etapas principais na via biossintética dos ácidos graxos da célula bacteriana [46,47,48].

Estruturas cristalográficas de alta qualidade de proteínas-alvo de E.coli e S. aureus com boa resolução foram recuperadas do banco de dados de proteínas (Fig. 2). As proteínas com PDB ID:3Q81; Resolução:2,1 Å [49], 1RD7; Resolução:2,6 Å [50], 4D41; Resolução 2.3 Å [51], 5BNR; Resolução:1,9 Å [52] foram selecionados para entender as interações moleculares entre nanopartículas e resíduos ativos de bolsa de proteína.

O software ICM v3.8-4a ou superior (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) foi empregado para o estudo de docking molecular [53]. A ferramenta de preparação do receptor de ICM Molsoft foi empregada para a preparação da estrutura da proteína que envolveu o remoção de moléculas de água e ligante co-cristalizado. Além disso, a minimização de energia e a otimização de estruturas de proteínas foram realizadas usando parâmetros padrão e campo de força. Mais tarde, o bolso de encadernação foi especificado usando a caixa de grade e 10 melhores - conformações encaixadas foram geradas para examinar o padrão de interação de nanopartículas com resíduos de sítio ativo.

A estrutura relatada anteriormente de teluretos e selenetos foram recuperados do PubChem no formato .cif e usados para a preparação de teluretos dopados com Ta e Nb , e estrutura de selenetos usando o Software Gaussian 09 e ferramenta de preparação de ligantes da ICM Molsoft.

Resultados e discussão

A Figura 3a representa padrões de XRD de compósitos preparados após recozimento a 550 ° C. Os picos característicos de todas as amostras foram estreitamente combinados com o banco de dados do JCPDS. No grupo telureto, estruturas tetragonais de TaTe ₄ (♦) em C1 (por Brandon e Lessard 1983) [16, 54] e NbTe ₄ (♥) em C2 (JCPDS 77-2283) [55] foram as principais fases identificadas nos padrões de XRD. Os picos de difração comuns (marcados como α ) a 21,8 ° (101), 26,1 ° (110), 28,6 ° (111), 29,8 ° (102), 48,4 ° (212), 55,1 ° (114), 62,2 ° (302), 75,1 ° (322), e 77,7 ° (106) pode ser indexado à estrutura cristalina tetragonal não reagida de TeO ₂ (p.f .:732 ° C) (cartão JCPDS No.78-1713) [56]. No caso do grupo seleneto, C3 e C4, fases monoclínicas de TaSe ₃ (♠) Arquivo JCPDS:18-1310 [7, 57] e Nb ₂ Se ₃ (*) Cartão JCPDS nº 01-089-2335 [1], respectivamente, foram detectados e atribuídos a aviões hkl. Além disso, os respectivos óxidos de metal de transição também foram formados nas amostras preparadas. Em picos de difração C3 ( β ) a 2θ =22,8 ° e 28,4 ° correspondendo a (001) e (1110) planos foram atribuídos a Ta ₂ ortorrômbico O ₅ fase de acordo com (JCPDS 025-0922) [45]. Picos mostrados por C4 localizados em 23,7 (110), 27,2 (−213), 36,7 (115) e 50,1 (308) podem ser atribuídos a Nb monoclínico ₂ O ₅ ( γ ) conforme relatado no (arquivo JCPDS nº 37-1468) [58]. O tamanho médio do cristalito das nanopartículas C1, C2, C3 e C4 (22,2, 22,16, 26,7 e 10,04 nm, respectivamente) foi calculado usando FWHM de acordo com a fórmula de Debye-Scherrer. A confirmação adicional da textura cristalina de nanopartículas cultivadas foi alcançada usando padrões de difração de elétrons de área selecionada (SAED) de HR-TEM. Ambas as técnicas de difração SAED e XRD são análogas uma da outra; no entanto, os primeiros diferem apenas no que diz respeito ao uso de um feixe de elétrons em vez de raios-X monocromáticos [59]. XRD é a principal técnica usada para a identificação da estrutura cristalina, mas dificilmente pode ser usada para amostras nanocristalinas heterogêneas. Ele é capaz de detectar a distribuição da densidade de elétrons apenas devido à interação relativamente fraca dos raios X com os elétrons sozinhos, enquanto no TEM de alta resolução, o feixe de elétrons interage fortemente tanto com o campo elétrico quanto com o nuclear, dando assim uma estrutura de cristal altamente ampliada em comparação com a da difração de raios-X [59, 60]. A Figura 3b-e demonstra os padrões (SAED) de amostras correspondentes com anéis concêntricos indexados a planos de reflexão hkl que são consistentes com os resultados de XRD [61, 62]. Os pontos de reflexão brilhante em vários círculos concêntricos em padrões SAED (bec) indicaram que os nanocompósitos sintetizados eram cristalinos, enquanto a reflexão fraca observada entre esses anéis brilhantes revelou a presença de um composto amorfo. Além disso, a ausência de pontos brilhantes em anéis SAED de (d) e poucos pontos em (e) representa a natureza amorfa e ligeiramente cristalina dessas nanoestruturas, respectivamente [63, 64]. Para uma visão mais aprofundada da estrutura cristalina, HRTEM de C1 e C2 foi realizado e os resultados são apresentados na Fig. 3f, g. As franjas de rede claras em imagens HRTEM indicam a alta cristalinidade das nanopartículas [65] com espaçamento d de ~ 0,315 e 0,347 nm que corresponde bem com a distância interplanar do plano (111) do TeO tetragonal ₂ (JCPDS no. 78-1713), e (002) plano de NbTe tetragonal ₄ (JCPDS 77-2283) [55], respectivamente.

Imagens representativas de FESEM e HRTEM de produtos finais sintetizados após o recozimento a 550 ° C por 48 h, são mostradas na Fig. 4 para uma posterior elaboração da morfologia de superfície e estrutura cristalina de NPs. Micrografias FESEM do grupo telureto (aeb) possuem microcristais semelhantes a flocos em C1, enquanto partículas de formato irregular não uniformes com tendência a se agregar com um diâmetro médio de 22 nm são observadas em C2. Imagens FESEM do grupo seleneto (c e d) indicam as estruturas semelhantes a placa / disco dispersas sobre uma superfície plana (C3) e aglomeração de partículas pode ser observada na morfologia C4 com o tamanho de NPs variando de 10 a 27 nm. Essas estruturas se tornam mais evidentes quando examinadas com TEM de alta resolução em maior ampliação (ver Fig. 4e-h) e inserções (canto superior esquerdo com resolução de 50 nm) também confirmam a formação de nanopartículas.

A espectroscopia de energia dispersiva de raios-X (EDS) foi utilizada para determinar a composição elementar dos nanocompósitos sintetizados. Os espectros de EDS (Fig. 5) confirmaram a presença de todos os elementos constituintes (Ta, Nb, Te, Se e O) nas respectivas amostras. A partir dos espectros, é mostrado que as amostras preparadas possuem 16,0% em peso de Ta e 65,6% em peso de Te em C1 e 15% em peso de Nb e 66,3% em peso de Te em C2, esses valores são consistentes com as razões atômicas relativas dos elementos (~ 1:4) presente nos compostos TaTe ₄ e NbTe ₄ , respectivamente. Sinais de carbono e cobre surgem das amostras revestidas de carbono e grades de Cu usadas para medições FESEM [7, 66]. Não foram observados outros picos ou elementos associados a contaminações nos espectros que garantam a pureza dos produtos resultantes formados como resultado da síntese no estado sólido.

A natureza da ligação química e dos grupos funcionais dos compostos sintetizados C1, C2, C3 e C4 foi elucidada por meio de estudos de FTIR conduzidos na faixa de 400-4000 cm ⁻¹ (Fig. 6a). Bandas de transmissão significativas observadas em 3432 e 1627 cm ⁻¹ estão associados à frequência de alongamento do grupo O-H [7]. Nos espectros C1 e C2 dos telúridos, os picos intensos observados a 658 cm ⁻¹ correspondem às vibrações de alongamento das ligações Te-O em TeO bipiramidal trigonal (tbp) ₄ unidades [67] enquanto a banda vibracional em 776 cm ⁻¹ revela a existência de ligação Ta-O-Ta em C1 [68] e NbO ₄ unidade tetraédrica em C2 [69]. Os espectros dos compostos de seleneto preparados C3 e C4 indicam a presença de ligações Se-O devido aos modos vibracionais de alongamento próximo a 700 cm ⁻¹ [70] Picos transmitidos na região de 700-900 cm ⁻¹ são atribuídos à ligação de óxido de metal como ligação Ta-O-Ta [3] em C3 e ligação Nb-O [69] em C4. A espectroscopia Raman foi realizada na faixa de 50-1050 cm ⁻¹ para divulgar várias unidades estruturais de compósitos sintetizados (Fig. 6b). O espalhamento Raman em amostras de telureto (C1, C2) foi observado em três regiões, incluindo 100-250, 350-450 e 550-850 cm ⁻¹ . Primeira região em 100-250 cm ⁻¹ corresponde ao alongamento da vibração da unidade Ta-O em C1, flexão vibracional da ligação Nb-O-Nb e Nb ₂ O ₅ octaedro em C2 [71,72,73,74]. Pico promissor na segunda região 350-450 cm ⁻¹ é atribuído ao alongamento simétrico das ligações Te-O-Te [75]. A terceira seção composta por uma banda larga localizada em 550-850 cm ⁻¹ e é simétrico aos modos Raman para ligação Ta-O terminal, vibrações de alongamento Te-O / Nb-O e TaO ₆ / Nb ₂ O ₅ modos octaédricos em C1 e C2, respectivamente [71,72,73,74]. No caso de compostos de seleneto, C3 e C4 (as amostras são amorfas ou possuem baixo grau de cristalinidade conforme observado nos resultados de XRD e HRTEM) desvios Raman são observados apenas entre 580-780 cm ⁻¹ , que indica a presença de Ta ₂ O ₅ porção em C30 [68] e o alongamento da ligação Nb-O em C4 [72, 73], além de vibrações de ponte Se-O terminais [76]. O espalhamento Raman observado e os modos vibracionais observados nos espectros de nanocompósitos sintetizados se correlacionam com a relação estrutural derivada dos dados de XRD.

Medições ópticas e propriedades estruturais adicionais das amostras preparadas C1, C2, C3 e C4 foram realizadas na faixa de 285-400 nm, empregando espectrofotômetro UV-Vis (GENESYS 10S). A Figura 7a ilustra as curvas de absorção traçadas contra a absorvância ao longo das ordenadas e comprimento de onda (nm) ao longo da abcissa. Todas as amostras cultivadas mostraram absorbância na zona de UV conforme representado por curvas de absorção na faixa de 250-350 nm [77, 78]. Uma banda de absorção intensa foi observada imediatamente abaixo da borda de absorção perto de 292 nm, tanto em teluretos quanto em selenetos, devido às transições eletrônicas em Ta ⁺⁵ , Nb ⁺⁵ íons e / ou um único par de elétrons em átomos de Te / Se. O comprimento de onda de corte de absorção é considerado onde começa um aumento abrupto na absorção óptica [4] e é o comprimento de onda, que é usado para avaliar o gap óptico de compósitos [79, 80]. As energias de gap direto (Eg) foram estimadas plotando ( αhυ ) ² ao longo de y -eixo e hυ em x -eixo seguido de extrapolação dos ajustes lineares para x -eixo (Fig. 7b). Os valores de interceptação em x -eixo (3,99, 3,91, 3,87 e 3,82 eV) correspondem aos intervalos de banda estimados de C1, C2, C3 e C4, respectivamente, o que indica que os NPs subsequentes são materiais de intervalo de banda largo.

A Figura 8a-e ilustra a degradação catalítica do azul de metileno na presença de NaBH ₄ e nanocompósitos examinados usando um espectrofotômetro. A taxa de degradação do corante na presença de boro-hidreto de sódio é mostrada na Fig. 8a, enquanto a eficiência catalítica do TaTe ₄ (C1), NbTe ₄ (C2), TaSe ₃ (C3), e Nb ₂ Se ₃ (C4) é ilustrado na Fig. 8b-e. Atividade catalítica significativa foi registrada para as amostras C2 e C3, pois estas resultam em sucessivas diminuições na concentração de azul de metileno. Demorou apenas 3-5 min para a conversão de MB em azul de leucometileno como mostrado na Fig. 8c, d. O desempenho catalítico insignificante foi observado para as amostras C1 e C4, conforme mostrado na Fig. 8b, e. A baixa eficiência catalítica pode ser explicada devido a ligeiras diferenças estruturais que existem no arranjo quase-dimensional dos materiais das cadeias de MC, apesar de possuírem configurações quimicamente isomorfas [17,18,19]. As curvas de degradação do corante de nanocompósitos sintetizados são mostradas na Fig. 8f. As curvas de degradação da amostra C2 e C3 representam declínio acentuado, enquanto as curvas de outras amostras mostram uma ligeira diferença da curva MB padrão, o que demonstra que as amostras C2 e C3 possuem maior potencial catalítico em comparação com o resto das amostras. A% de degradação do azul de metileno foi calculada usando a seguinte equação:

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

onde a absorvância inicial de MB é representada como C _o e absorbância no tempo t é mostrado como C _t . O potencial significativo de degradação do corante foi demonstrado pelas amostras C2 (19,9% / min) e C3 (33% / min); No entanto, atividade negligenciável foi observada nas amostras restantes, conforme mostrado na Fig. 8g. A reação de pseudo-primeira ordem [81] foi usada para estimar quantitativamente a eficiência catalítica do nanocompósito sintetizado. A seguinte expressão (equação 4) foi empregada para calcular a constante de taxa.

ln [ C _o ∕ C _t ] = kt (4)

Aqui, C _o é a concentração inicial do corante e k representa a constante de taxa [82]. A Figura 8h ilustra os valores da constante de taxa obtidos a partir da curva de absorbância. Esses valores são 1,0325 / min, 0,776 / min, 0,086 / min e 0,0803 / min para C3, C2, C4 e C1, respectivamente. A amostra C3, com uma constante de taxa alta, exibe proficiência catalítica significativa para a degradação do azul de metileno. Da mesma forma, C2 também representa alta eficiência catalítica, enquanto as amostras restantes não são comprovadas como nanocatalisadores eficazes.

O ensaio de difusão em disco em ágar foi utilizado para avaliar a sensibilidade antibacteriana dos teluretos preparados (C1, C2) e selenídeos (C3, C4) de Nb e Ta. Zonas de inibições foram registradas para amostras contra E. coli e S. aureus como mostrado na Tabela 1. A atividade antibacteriana do grupo telurito é maior do que C3 e C4 (Fig. 9); embora, a zona inibitória máxima foi registrada para a amostra C2 a uma concentração de 1 mg / ml para E. coli (35 mm) e S. aureus (32 mm). Da mesma forma, a amostra C1 também mostrou inibição máxima na concentração de D4, ou seja, 28 e 29,5 mm para E. coli e S. aureus , respectivamente. No entanto, as concentrações de D2 e D3 mostraram menor atividade bactericida do que D4; esta tendência representa o efeito citotóxico dependente da dose dos nanocompósitos. Proporcionalidade direta foi observada entre o efeito sinérgico e as concentrações de NPs e zonas de inibição (mm) [83]. O gráfico de barras representa a atividade bactericida desprezível para a amostra C3 (TaSe ₃ ) e C4 (Nb ₂ Se ₃ ) devido à presença de selênio (Se), uma vez que é um micronutriente essencial que aumenta o crescimento bacteriano e diminui o potencial antibacteriano das amostras [84]. A diminuição acentuada no crescimento bacteriano no caso de teluritos com um aumento na concentração de nanopartículas é atribuída à formação de espécies reativas de oxigênio (ROS) que causam estresse oxidativo como resultado da reação redox de íons metálicos, que inibe o crescimento de determinadas enzimas e destrói o DNA bacteriano levando à morte da bactéria [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].

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 e 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 , respectivamente.

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.

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 Te⁰ and (CH₃ ) ₂ Te that is eliminated from the body through breathing, urination, and sweating [90].

Conclusões

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 and Nb₂ 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.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

Eg:: Band gap energy
EDS:: Espectroscopia de energia dispersiva de raios-X
FESEM:: Microscópio eletrônico de varredura de emissão de campo
FTIR:: Espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier
(G + ve):: Gram positive
(G –ve):: Gram negative
HR-TEM:: High resolution transmission electron microscope
JCPDS:: Joint committee on powder diffraction standards
MB:: Azul de metileno
nm:: Nanometer
Nb:: Niobium
PL:: Fotoluminescência
UV-Vis:: Ultra-violet visible spectroscopy
Ta:: Tantalum
XRD:: Difração de raios X

Aumento da emissão de fóton único por acoplamento perfeito do ponto quântico InAs / GaAs e modo de cavidade micropilar O Estabelecimento e os Estudos de Aplicação em Indicador de pH de Lisossomo Preciso Baseado em Nanopartículas Auto-Decomponíveis

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias