过渡金属（Nb 和 Ta）的硒化物和碲化物在催化、抗菌和分子对接性能方面的比较研究

介绍

过渡金属硫族化物 TMC（其中 M =Ti、V、Nb、Ta、Mo、W 等；C =S、Se、Te）是非常有前途的材料，适用于许多工业领域，包括电子、能源转换和存储、光伏、热电和催化 [1, 2]，因为它们具有理想的光学、电学和电化学特性 [3]。最近，掺有铌和钽的硒化物和碲化物因其在半导体、红外到可见光的上转换 [4, 5]、气体传感器 [6]、激光二极管、医疗诊断等应用中的潜在用途而受到广泛关注。 、光电探测装置、光催化 [7]、超导体和拓扑绝缘体或半金属 [8]。通常，过渡金属硫属化物以 MC2、MC3 和 MC4 系统的形式存在，其中 M 被称为过渡金属，C =S、Se 或 Te [9]。较低的硒化物和碲化物 MC2 具有高度分层的二维 (2D) 结构 [10]，金属原子位于八面体位置的层之间 [11]。二维 (2D) 材料包括过渡金属二硫属化物、石墨烯（2004 年发现的第一个二维材料）[12]、黑磷和六方氮化硼 [13]，由于其独特的电子、结构、光学和磁性属性 [14]。另一方面，MC3 和 MC4 显然是非层状结构，它们以具有无限 MC 链的准一维构型 [15, 16] 结晶。虽然，两个家族的化学式似乎相似，但在结构上它们彼此略有不同。这些结构差异导致其电传输特性发生变化 [17,18,19]。碲化物的一个重要特征是其在晶体结构、电子构型和物理性质上区别于硫化物和硒化物的一个重要特征是 Te 的大原子序数。 Te 的价轨道 [20] 的扩散特性及其更共价的性质 [21] 导致强烈的自旋轨道 (SO) 耦合 [22]。目前，具有强 SO 耦合的材料在凝聚态物理中引起了极大的兴趣 [23]。在这方面，正在研究具有大原子序数的低维准 (1D) 碲化物 (NbTe4) 的超导性 [21, 24]。为了满足各个领域对 TM 纳米结构硒化物和碲化物日益增长的需求，已经采用了多种方法来合成这些材料，包括溶胶-凝胶 [7, 25, 26]、静电纺丝 [27]、定向附着工艺 [28] , 29]、化学气相沉积[30]、有机溶液高温合成[31]、模板导向法[32]、水热/溶剂热反应[33]。

由各行各业排放的有机染料和颜料的毒性造成的严重环境污染仍然是全球健康风险的主要来源。由于这些不可生物降解的废物具有复杂的芳香结构、亲水性以及对光、化学品和温度的稳定性 [35, 36]，因此通过传统的水处理方法消除这些不可生物降解的废物是不可行的 [7, 34]。因此，开发有效、方便和经济的降解技术最近受到了极大的关注[37]。迄今为止，已采用基于物理、生物和化学方法的各种实践来处理被染料污染的废水 [38]。由于资金成本高、效率低、反应迟钝和能量输入高，这些方法缺乏实用价值。相反，催化还原过程是一种优选的选择，因为它相对快速、廉价和低温处理 [35, 37]。在这方面，几种过渡金属硫属化物如 VSe2（光催化剂和超级电容器）[39]、掺镱WTe3（超短激光器和放大器）[40, 41]、TaSe3（超导体）、TaS 和 NbSe3（半导体）具有文献报道[7, 27]。在此，有必要指出，利用本文所研究的化合物用NaBH4催化还原亚甲基蓝（MB）的研究较少受到关注。

在生物医学领域，金属复合材料的抗菌特性早已得到认可并成功用于医学史上一些最非凡的创新 [42, 43]。在过渡金属中，Ta 化合物由于无反应性、无毒和生物相容性而被认为是良好的抗菌剂。然而，Nb 复合材料用作杀菌剂的研究相当有限[44]。

鉴于上述情况，我们打算合成过渡金属（Nb、Ta）的硒化物和碲化物，并通过评估它们的催化和抗菌性能进行比较研究。据我们所知，迄今为止还没有报道过这样的比较调查。固态技术用于合成硒化物（TaSe3、Nb2Se3）和碲化物（TaTe4、NbTe4），并通过元素分析、FTIR、拉曼、EDS、FESEM、HRTEM 和 UV-Vis 光谱对分离的产物进行表征。此外，还进行了分子对接研究以评估 NP 与局部分离的细菌菌株（包括大肠杆菌）的细胞蛋白的结合相互作用模式。大肠杆菌 和S。金黄色葡萄球菌 .本研究的目的是评估过渡金属碲化物和硒化物在催化、杀微生物和分子对接性能方面的比较行为。

方法

目前的研究旨在评估过渡金属碲化物和硒化物的比较行为，以研究它们的催化、杀微生物性能和分子对接分析。

化学品

五氯化铌-NbCl5（99%）、五氯化钽-TaCl5（99.8%）、二氧化硒-SeO2（≥99.9%）、二氧化碲-TeO2（≥99%）、亚甲蓝（MB）、硼氢化钠（NaBH4）、和硝酸 HNO3 (65%) 购自 Sigma-Aldrich。盐酸-HCl (37%) 购自 Riedel-de Haen。用王水清洗玻璃器皿，然后用双蒸水冲洗两次。营养琼脂购自默克公司。细菌菌株的纯培养物由 G.C. Zoology Department 提供。大学，拉合尔。使用前未进行额外的纯化处理。

过渡金属硒化物和碲化物的合成

通过标准固态技术合成了两组，即过渡金属的碲化物和硒化物（Ta 和 Nb），其组成分别为（TaTe4，NbTe4）和（TaSe3，Nb2Se3）（见图 1）。将前体金属氯化物（TaCl5，熔点：216 °C 和 NbC​​l5，熔点：204.7 °C）分别与硫属元素氧化物（TeO2，熔点：732 °C 和 SeO2，熔点：340 °C）彻底混合并研磨 1 分钟至 °C增强颗粒之间的接触面积并确保均匀性。将所得混合物置于保持在 550 °C 的马弗炉中 48 h 使其熔化。最初，炉温以 50 °C/h 的速率升高。之后，将炉子以10 °C/h的速率冷却至室温并提取产物。前体金属氯化物中的氯在高温下氧化，可能的机理如下[45]。

金属硒化物和碲化物的合成示意图

催化

通过测量在 NaBH4 存在下亚甲蓝-MB 的还原率来评估合成纳米复合材料的催化潜力。 MB 是一种阳离子染料，在化学实验室中广泛用作氧化还原指示剂。 1 毫摩尔 MB 溶液用去离子水稀释，然后在其中加入400 μl 新鲜制备的硼氢化钠-NaBH4 溶液(100 mM)。随后，将合成的化合物加入溶液中并搅拌 5 分钟。样品的脱色代表在硼氢化钠存在下 MB 转化为无色亚甲蓝 (LMB)（见方程式 2）。用分光光度计监测反应，并在 25 °C 和 250-750 nm 范围内定期记录 665 nm 处的吸收。

抗菌活性

合成材料对革兰氏阳性（G + ve）金黄色葡萄球菌的杀菌作用研究 和革兰氏阴性 (G -ve) 大肠杆菌 在无菌条件下使用 Whatman 滤纸作为圆盘。含 1 × 10 ⁷ 的细菌培养物 将 CFU/mL 涂抹在营养琼脂平板上，同时使用各种浓度（0.25、0.5 和 1 mg/ml）来检查合成纳米复合材料的敏感性，与作为阴性对照的去离子水 (DIW) 相比。将接种的琼脂平板在 37 °C 下有氧温育过夜，并使用仪表刻度 (mm) (Image J 软件) 测量抑菌圈。通过三次重复实验，保证了结果的重现性和可靠性。

材料表征

使用Cu-Kα辐射（λ）在40 kV和30 mA下运行的X射线衍射仪（型号：PANalytical X'Pert PRO）获得有关合成产物的结构和晶相的信息 =1.540 Å)，2θ 变化范围为 20-80°，扫描速率为 0.02°/s。飞利浦专有软件 X’Pert high score plus 用于曲线拟合和积分。通过配备能量色散 X 射线 EDS 光谱仪的 (JSM-6460LV) FESEM 获得形态特性和元素组成。此外，在飞利浦模型 (CM30) 和 JEOL (JEM 2100F) 的 HRTEM 的帮助下评估了层间间距。使用在 120 至 1100 nm 范围内操作的 UV-Vis (GENESYS 10S) 分光光度计测定光学特性。 FTIR用于通过Perkin Elmer光谱仪在4000-400 cm ^-1 范围内检测官能团 .采用拉曼光谱仪对粉末样品进行拉曼散射实验，拉曼光谱仪以二极管激光器为激发源，聚焦波长为532 nm。

分子对接研究

对合成的碲化物和硒化物进行了分子对接研究，以了解杀菌活性的潜在机制。这是通过靶向对细菌存活和生长至关重要的蛋白质来进行的。选择属于各种生物合成途径的多个蛋白质靶标进行分子对接研究，即β -内酰胺酶、二氢叶酸还原酶、烯酰-[酰基-载体-蛋白]还原酶（FabI）和β-酮酰基-酰基载体蛋白合酶III（FabH）。 β β-内酰胺酶和二氢叶酸还原酶分别在细菌存活所需的细胞壁和叶酸的生物合成中起关键作用。同样，FabH和FabI酶催化细菌细胞脂肪酸生物合成途径中的关键步骤[46,47,48]。

从蛋白质数据库中检索到具有良好分辨率的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌靶蛋白的高质量晶体结构（图 2）。 PDB ID：3Q81的蛋白质；分辨率：2.1 Å [49]，1RD7；分辨率：2.6 Å [50]，4D41；分辨率 2.3 Å [51]，5BNR；分辨率：选择1.9 Å[52]来了解纳米颗粒与蛋白质活性口袋残基之间的分子相互作用。

目标蛋白质的 3D 结构。 一 β 内酰胺酶（PDB：3Q81；金黄色葡萄球菌 ）。 b FabI（PDB：4D41；金黄色葡萄球菌 ）。 c FabH（PDB：5BNR；大肠杆菌 ）。 d DHFR（PDB：1RD7；大肠杆菌 )

采用 ICM v3.8-4a 或更高版本（Molsoft L.L.C., La Jolla, CA）软件进行分子对接研究 [53]。采用ICM Molsoft的受体制备工具进行蛋白质结构制备，涉及 去除水分子和共结晶配体。此外，使用默认参数和力场进行蛋白质结构的能量最小化和优化。后来，使用 a 指定绑定口袋 网格框和 10 个最佳- 生成对接构象以检查纳米颗粒与活性位点残基的相互作用模式。

以前报道的碲化物和硒化物的结构以 .cif 格式从 PubChem 中检索出来，用于制备掺 Ta、掺 Nb 的碲化物, 和 selenides 结构使用 Gaussian 09软件和ICM Molsoft配体制备工具。

结果与讨论

图 3a 描绘了制备的复合材料在 550 °C 下退火后的 XRD 谱。所有样品的特征峰均与 JCPDS 数据库紧密匹配。在碲化物组中，C1（布兰登和莱萨德，1983 年）[16, 54] 和 C2 中的 NbTe4 (♥) (JCPDS 77-2283) [55] 的四方结构是 XRD 图中确定的主要相。常见的衍射峰（标记为α ) 在 21.8° (101)、26.1° (110)、28.6° (111)、29.8° (102)、48.4° (212)、55.1° (114)、62.2° (302)、75.1° (322)和 77.7° (106) 可以索引为 TeO2 的未反应四方晶体结构 (mp:732 °C) (JCPDS 卡片 No.78-1713) [56]。在硒化物组、C3 和 C4 的情况下，TaSe3 (♠) 的单斜相 JCPDS 文件：18-1310 [7, 57] 和 Nb2Se3 (*) JCPDS 卡号。 01-089-2335 [1] 分别被探测到并分配到 hkl 飞机。此外，在制备的样品中也形成了相应的过渡金属氧化物。在 C3 衍射峰 (β ) 在 2θ =22.8° 和 28.4° 对应于 (001) 和 (1110) 平面根据 (JCPDS 025-0922) [45] 归因于正交 Ta2O5 相。 C4 显示的峰位于 23.7 (110)、27.2 (-213)、36.7 (115) 和 50.1 (308) 可归因于单斜 Nb2O5 (γ ）如（JCPDS 文件第 37-1468 号）[58] 中所述。根据 Debye-Scherrer 公式，使用 FWHM 计算 C1、C2、C3 和 C4 纳米粒子的平均微晶尺寸（分别为 22.2、22.16、26.7 和 10.04 纳米）。通过使用 HR-TEM 的选区电子衍射 (SAED) 图案，可以进一步确认生长的纳米粒子的晶体结构。两种衍射技术 SAED 和 XRD 是彼此类似的；然而，前者的区别仅在于使用电子束而不是单色 X 射线 [59]。 XRD 是用于鉴定晶体结构的主要技术，但几乎不能用于非均质纳米晶样品。仅由于 X 射线与电子的相互作用相对较弱，它才能够检测电子密度分布，而在高分辨率 TEM 中，电子束与电场和核场的相互作用都很强，因此与相比，可提供高度放大的晶体结构X 射线衍射的结果 [59, 60]。图 3b-e 展示了相应样品的 (SAED) 图案，其同心环索引到 hkl 反射平面，这与 XRD 结果一致 [61, 62]。 SAED 图案（b 和 c）中几个同心圆中的明亮反射点表明合成的纳米复合材料是结晶的，而在这些亮环中观察到的弱反射表明存在无定形化合物。此外，(d) 的 SAED 环中没有亮点，(e) 中的点很少，分别描述了这些纳米结构的无定形和轻微结晶性质 [63, 64]。为了进一步了解晶体结构，进行了 C1 和 C2 的 HRTEM，结果如图 3f、g 所示。 HRTEM 图像中清晰的晶格条纹表明纳米颗粒 [65] 的高结晶度，d 间距为 ~ 0.315 和 0.347 nm，这与四方 TeO2（JCPDS 编号 78-1713）的（111）平面的面间距很好地对应，和 (002) 面的四方 NbTe4 (JCPDS 77-2283) [55] 分别。

一 XRD 图。 b-e C1、C2、C3 和 C4 样品的 SAED 图像 (550 ° C) 48 小时。 f-g 显示晶格条纹间距的纳米晶体 (C1 &C2) 的 HRTEM 显微照片

在 550 °C 下退火 48 h 后合成的最终产品的代表性 FESEM 和 HRTEM 图像如图 4 所示，以进一步阐述 NPs 的表面形貌和晶体结构。碲化物组（a和b）的FESEM显微照片在C1中具有片状微晶，而在C2中观察到平均直径为22 nm的不均匀不规则形状颗粒具有聚集趋势。硒化物基团（c 和 d）的 FESEM 图像表明板状/盘状结构分散在平坦表面（C3）上，并且可以在 C4 形态中观察到颗粒团聚，纳米颗粒的尺寸范围从 10 到 27 nm。当用高分辨率 TEM 以更高的放大倍数检查时，这些结构变得更加明显（见图 4e-h），插图（左上角分辨率为 50 nm）也证实了纳米颗粒的形成。

a-d 微米级的 FESEM。 e-h C1、C2、C3和C4纳米颗粒的低倍HRTEM显微照片，高倍率插图

能量色散 X 射线光谱 (EDS) 用于确定合成纳米复合材料的元素组成。 EDS 光谱（图 5）证实了各个样品中所有组成元素（Ta、Nb、Te、Se 和 O）的存在。光谱表明，制备的样品在C1中含有16.0 wt%的Ta和65.6 wt%的Te，在C2中含有15 wt%的Nb和66.3 wt%的Te，这些值与元素的相对原子比一致(~ 1:4) 分别存在于化合物 TaTe4 和 NbTe4 中。碳和铜信号来自用于 FESEM 测量的碳涂层样品和铜网格 [7, 66]。在光谱中没有观察到与污染物相关的其他峰或元素，这保证了固态合成结果形成的后续产物的纯度。

C1、C2、C3、C4样品的EDS光谱

通过在 400-4000 cm ^-1 范围内进行的 FTIR 研究阐明了合成复合材料 C1、C2、C3 和 C4 的化学键和官能团的性质 （图6a）。在 3432 和 1627 cm ^-1 观察到显着的传输带 与 O-H 基团的伸缩频率有关 [7]。在碲化物光谱 C1 和 C2 中，在 658 cm ^-1 处观察到强峰 对应于三角双锥 (tbp) TeO4 单元中 Te-O 键的伸缩振动 [67] 而振动带在 776 cm ^-1 揭示了 C1 中存在 Ta-O-Ta 键 [68] 和 C2 中存在 NbO4 四面体单元 [69]。制备的硒化物复合材料 C3 和 C4 的光谱表明，由于在 700 cm ^-1 附近存在伸缩振动模式，Se-O 键的存在 [70] 在 700-900 cm ⁻¹ 区域传输的峰值 被指定为金属氧化物键作为 C3 中的 Ta-O-Ta 键 [3] 和 C4 中的 Nb-O 键 [69]。拉曼光谱在50-1050 cm ^-1 范围内进行 公开合成复合材料的各种结构单元（图6b）。在 100-250、350-450 和 550-850 cm ^-1 三个区域观察到碲化物样品（C1、C2）的拉曼散射 .第一个区域在 100-250 cm ^-1 对应于 C1 中 Ta-O 单元的伸缩振动、Nb-O-Nb 键的振动弯曲和 C2 中的 Nb2O5 八面体 [71,72,73,74]。第二个区域有希望的峰值 350-450 cm ^-1 归因于 Te-O-Te 键的对称拉伸 [75]。第三部分由位于 550-850 cm ^-1 的宽带组成 并且分别与 C1 和 C2 中的末端 Ta-O 键、Te-O/Nb-O 伸缩振动和 TaO6/Nb2O5 八面体模式的拉曼模式对称 [71,72,73,74]。在硒化物的情况下，C3 和 C4（样品是无定形的或在 XRD 和 HRTEM 结果中观察到的结晶度较低）仅在 580-780 cm ^-1 之间观察到拉曼位移 ，这表明 C30 中存在 Ta2O5 部分 [68] 和 C4 中 Nb-O 键的拉伸 [72, 73] 以及末端 Se-O 桥接振动 [76]。在合成纳米复合材料的光谱中观察到的拉曼散射和振动模式与从 XRD 数据得出的结构关系相关。

一 FTIR 光谱。 b C1、C2、C3、C4的拉曼光谱

使用 UV-Vis (GENESYS 10S) 分光光度计在 285-400 nm 范围内对制备的样品 C1、C2、C3 和 C4 进行光学测量和其他结构特性。图 7a 说明了相对于沿纵坐标的吸光度和沿横坐标的波长 (nm) 绘制的吸收曲线。如吸收曲线在 250-350 nm [77, 78] 范围内所描绘的那样，所有生长的样品都在紫外区显示出吸光度。由于 Ta ⁺⁵ 中的电子跃迁，在碲化物和硒化物中，在 292 nm 附近的吸收边缘下方都观察到了一个强烈的吸收带 , 铌 ⁺⁵ 离子，和/或 Te/Se 原子上的孤对电子。吸收截止波长取自光吸收开始突然增加的地方 [4]，它是用于评估复合材料光学带隙的波长 [79, 80]。直接带隙能量 (Eg) 通过绘制 (αhυ ) ² 沿着 y -axis 和 hυ 在 x -axis 然后将线性拟合外推到 x -轴（图7b）。 x 上的截距值 -轴（3.99、3.91、3.87和3.82 eV）分别对应C1、C2、C3和C4的带隙估计值，表明后续的纳米粒子是宽带隙材料。

一 紫外-可见光谱。 b C1、C2、C3、C4的带隙

图 8a-e 说明了在 NaBH4 和使用分光光度计检查的纳米复合材料存在下亚甲蓝的催化降解。在硼氢化钠存在下染料的降解速率如图 8a 所示，而 TaTe4 (C1)、NbTe4 (C2)、TaSe3 (C3) 和 Nb2Se3 (C4) 的催化效率如图 8b-e 所示。样品 C2 和 C3 被记录到显着的催化活性，因为这些导致亚甲蓝浓度的连续降低。如图 8c、d 所示，MB 转化为无色亚甲蓝仅需要 3-5 分钟。注意到样品 C1 和 C4 的催化性能可以忽略不计，如图 8b，e 所示。低催化效率可能是由于材料在 MC 链的准维排列中存在轻微的结构差异，尽管具有化学同晶构型 [17,18,19]。合成纳米复合材料的染料降解曲线如图 8f 所示。样品C2和C3的降解曲线急剧下降，而其他样品的曲线与标准MB曲线略有不同，这表明样品C2和C3与其余样品相比具有更高的催化潜力。亚甲蓝的降解百分比由下式计算：

用于减少 MB 的时间相关 UV-Vis 光谱。 一 MB 与 NaBH4。 b MB 与 NaBH4 + C1。 c MB 与 NaBH4 + C2。 d MB 与 NaBH4 + C3。 e MB与NaBH4 + C4

% 退化 =100 - (C t × 100∕C o ) (3)

其中 MB 的初始吸光度表示为 C o 和 t 时刻的吸光度 显示为 C t .样品 C2 (19.9%/min) 和 C3 (33%/min) 显示出显着的染料降解潜力；然而，在其余样品中观察到的活性可以忽略不计，如图 8g 所示。拟一级反应[81]用于定量估计合成纳米复合材料的催化效率。使用以下表达式（等式4）计算速率常数。

ln [C o∕C t] =kt (4)

在这里，C o 是染料的初始浓度，k 表示速率常数 [82]。图 8h 说明了从吸光度曲线获得的速率常数值。对于 C3、C2、C4 和 C1，这些值分别为 1.0325/min、0.776/min、0.086/min 和 0.0803/min。样品 C3 具有高速率常数，对亚甲蓝降解表现出显着的催化能力。同样，C2也表现出较高的催化效率，而其余样品并未被证明是有效的纳米催化剂。

琼脂盘扩散试验用于评估制备的 Nb 和 Ta 碲化物（C1、C2）和硒化物（C3、C4）的抗菌敏感性。记录了针对大肠杆菌的样品的抑制区。大肠杆菌 和S。金黄色葡萄球菌 如表1所示。亚碲酸盐组的抗菌活性大于C3和C4（图9）；然而，对于E，在浓度为1 mg/ml时记录了样品C2的最大抑制区。大肠杆菌 (35 mm) 和 S。金黄色葡萄球菌 (32 mm)。类似地，样品 C1 在 D4 浓度下也显示出最大抑制，即对于 E，28 和 29.5mm。大肠杆菌 和S。金黄色葡萄球菌 ， 分别。然而，D2 和 D3 浓度的杀菌活性低于 D4；这种趋势代表了纳米复合材料的剂量依赖性细胞毒作用。在协同效应与 NPs 浓度和抑制区 (mm) 之间观察到成正比 [83]。条形图表示样品 C3 (TaSe3) 和 C4 (Nb2Se3) 的杀菌活性可忽略不计，因为硒 (Se) 是一种必需的微量营养素，可促进细菌生长并降低样品的抗菌潜力 [84]。在亚碲酸盐的情况下，随着纳米颗粒浓度的增加，细菌生长的显着减少归因于由于金属离子的氧化还原反应而导致氧化应激的活性氧 (ROS) 的形成，从而抑制了特定酶的生长并破坏细菌 DNA，导致细菌死亡 [85]。收获的复合材料上的总电荷是正电荷，而细菌细胞壁本质上是阴离子的。一种可能的反应机制可能是金属离子的阳离子相互作用，使细菌核糖体和酶功能失调，从而导致微病原体崩溃[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.大肠杆菌 和S。金黄色葡萄球菌 . 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.金黄色葡萄球菌 and E.大肠杆菌 , respectively.

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.大肠杆菌 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.大肠杆菌

Binding interaction pattern of NbTe4 NPs with active site residues of enoyl-[acyl-carrier-protein] reductase (FabI) from S.金黄色葡萄球菌

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, H2Te decomposes readily under the effect of light and air when compared to H2Se. 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)2Te that is eliminated from the body through breathing, urination, and sweating [90].

Conclusions

The compounds of two classes namely selenides and tellurides of transition metals (Ta and Nb) were successfully synthesized with compositions of TaSe3, Nb2Se3, 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/Ta2O5 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 Nb2Se3 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.

数据和材料的可用性

All data are fully available without restriction.

缩写

Eg:

Band gap energy

EDS：

能量色散X射线光谱

FESEM:

场发射扫描电子显微镜

FTIR：

Fourier transform infrared spectroscopy

(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：

光致发光

紫外可见光：

Ultra-violet visible spectroscopy

Ta:

Tantalum

XRD：

X射线衍射