Étude comparative des séléniures et tellurures de métaux de transition (Nb et Ta) en ce qui concerne ses performances d'amarrage catalytique, antimicrobienne et moléculaire

Introduction

Les chalcogénures de métaux de transition TMC (où M =Ti, V, Nb, Ta, Mo, W, etc. ; C =S, Se, Te) sont des matériaux très prometteurs qui conviennent à une utilisation dans de nombreux secteurs industriels, notamment l'électronique, l'énergie conversion et stockage, photovoltaïque, thermoélectrique et catalyse [1, 2] en raison de leurs propriétés optiques, électriques et électrochimiques souhaitables [3]. Récemment, les séléniures et les tellurures dopés au niobium et au tantale ont reçu une attention particulière en raison de leur utilisation potentielle dans des applications telles que les semi-conducteurs, la conversion supérieure de l'IR en lumière visible [4, 5], les capteurs de gaz [6], les diodes laser, les diagnostics médicaux. , dispositifs de photodétection, photocatalyse [7], supraconducteurs et isolants topologiques ou semi-métaux [8]. Généralement, les chalcogénures de métaux de transition existent sous forme de MC₂ , MC₃ , et MC₄ systèmes où M est connu comme un métal de transition et C =S, Se ou Te [9]. Les séléniures et tellurures inférieurs, MC₂ , ont une structure bidimensionnelle (2D) hautement stratifiée [10] avec un atome de métal situé entre les couches au niveau des sites octaédriques [11]. Les matériaux bidimensionnels (2D) comprenant les dichalcogénures de métaux de transition, le graphène (premier matériau 2D découvert en 2004) [12], le phosphore noir et le nitrure de bore hexagonal [13] ont été largement explorés en raison de leurs propriétés électroniques, structurelles, optiques et magnétiques uniques. propriétés [14]. Par contre, MC₃ et MC₄ sont des structures apparemment non stratifiées qui cristallisent dans des configurations quasi-unidimensionnelles [15, 16] avec des chaînes infinies de MC. Bien que la formule chimique semble être similaire pour les deux familles, mais structurellement, elles sont légèrement différentes l'une de l'autre. Ces différences structurelles donnent lieu à des variations dans leurs propriétés de transport électrique [17,18,19]. Une caractéristique importante des tellurures qui le distingue des sulfures et des séléniures par sa structure cristalline, sa configuration électronique et ses propriétés physiques est le grand numéro atomique du Te. Le caractère diffusif des orbitales de valence [20] de Te et sa nature plus covalente [21] se traduit par un fort couplage spin-orbital (SO) [22]. Actuellement, les matériaux à fort couplage SO sont d'un grand intérêt en physique de la matière condensée [23]. À cet égard, la supraconductivité dans les tellurures quasi (1D) de faible dimension (NbTe₄ ) avec un grand numéro atomique est à l'étude [21, 24]. Pour répondre à la demande croissante de séléniures et tellurures nanostructurés de TM dans divers domaines, un certain nombre d'approches ont été adoptées pour synthétiser ces matériaux, notamment le sol-gel [7, 25, 26], l'électrofilage [27], le processus d'attachement orienté [28 , 29], dépôt chimique en phase vapeur [30], synthèse à haute température basée sur une solution organique [31], méthode dirigée par modèle [32] et réaction hydrothermale/solvotherme [33].

La pollution environnementale substantielle causée par la toxicité des colorants et pigments organiques rejetés comme effluents de diverses industries reste une source majeure de risque pour la santé au niveau mondial. Il n'est pas possible d'éliminer ces déchets non biodégradables par des méthodes conventionnelles de traitement de l'eau [7, 34] en raison de leurs structures aromatiques complexes, de leur hydrophilie et de leur stabilité à la lumière, aux produits chimiques et à la température [35, 36]. Par conséquent, le développement de techniques de dégradation efficaces, pratiques et économiques a récemment reçu une attention primordiale [37]. À ce jour, diverses pratiques basées sur des méthodes physiques, biologiques et chimiques ont été adoptées pour traiter les eaux usées polluées par des colorants [38]. Ces méthodes manquent d'utilité pratique en raison du coût d'investissement élevé, de la faible efficacité, de la lenteur et de l'apport d'énergie élevé. Au contraire, le procédé de réduction catalytique est une option préférée car il s'agit d'un traitement relativement rapide, peu coûteux et à basse température [35, 37]. A cet égard, plusieurs chalcogénures de métaux de transition tels que VSe₂ (photocatalyseur et supercondensateur) [39], WTe₃ dopé Yb (laser ultra-court et amplificateur) [40, 41], TaSe₃ (supraconducteur), TaS et NbSe₃ (semi-conducteurs) ont été rapportés dans la littérature [7, 27]. Ici, il est pertinent de souligner que beaucoup moins d'attention a été accordée à l'étude de la réduction catalytique du bleu de méthylène (MB) avec NaBH₄ en utilisant les composés étudiés ici.

Dans le domaine biomédical, les propriétés antimicrobiennes des composites métalliques sont reconnues depuis longtemps et utilisées avec succès pour certaines des innovations les plus extraordinaires de l'histoire de la médecine [42, 43]. Parmi les métaux de transition, les composés de Ta sont signalés comme de bons agents antimicrobiens car ils sont non réactifs, non toxiques et biocompatibles. Alors que les recherches sur les composites de Nb utilisés comme agents biocides sont assez limitées [44].

Au vu de ce qui précède, nous avons eu l'intention de synthétiser des séléniures et tellurures de métaux de transition (Nb, Ta) et d'entreprendre une étude comparative en évaluant leurs propriétés catalytiques et antimicrobiennes. À notre connaissance, une telle enquête comparative n'a pas été rapportée à ce jour. La technique à l'état solide a été utilisée pour synthétiser les séléniures (TaSe₃ , Nb₂ Se₃ ) et les tellurures (TaTe₄ , NbTe₄ ) et les produits isolés ont été caractérisés par analyse élémentaire, FTIR, Raman, EDS, FESEM, HRTEM et spectroscopie UV-Vis. En outre, une étude d'amarrage moléculaire a été réalisée pour évaluer le modèle d'interaction de liaison des NP avec les protéines cellulaires de souches bactériennes localement isolées, y compris E. coli et S. aureus . Le but de la présente étude était d'évaluer le comportement comparatif des tellurures et des séléniures de métaux de transition en ce qui concerne leurs performances d'amarrage catalytique, microcide et moléculaire.

Méthodes

L'étude actuelle visait à comparer le comportement des tellurures et des séléniures de métaux de transition afin d'étudier leurs propriétés catalytiques, microcides et l'analyse de l'amarrage moléculaire.

Produits chimiques

Pentachlorure de niobium-NbCl₅ (99 %), pentachlorure de tantale-TaCl₅ (99,8%), dioxyde de sélénium-SeO₂ (≥ 99,9%), dioxyde de tellure-TeO₂ (≥ 99%), bleu de méthylène (MB), borohydrure de sodium (NaBH₄ ), et l'acide nitrique HNO₃ (65 %), ont été obtenus auprès de Sigma-Aldrich. L'acide chlorhydrique-HCl (37 %) a été acquis auprès de Riedel-de Haen. L'eau régale a été utilisée pour laver la verrerie suivie d'un rinçage avec de l'eau bidistillée deux fois. La gélose nutritive a été achetée chez Merck. Des cultures pures de souches bactériennes ont été fournies par le Département de zoologie, G.C. Université, Lahore. Aucun traitement de purification supplémentaire n'a été entrepris avant l'utilisation.

Synthèse de séléniures et tellurures de métaux de transition

Deux groupes à savoir les tellurures et les séléniures de métaux de transition (Ta &Nb) avec des compositions de (TaTe₄ , NbTe₄ ) et (TaSe₃ , Nb₂ Se₃ ), respectivement ont été synthétisés via une technique à l'état solide standard (voir Fig. 1). Chlorures de métaux précurseurs (TaCl₅ , p.f :216 °C et NbCl₅ , p.f :204,7 °C) chacun a été soigneusement mélangé et broyé avec des oxydes de chalcogène (TeO₂ , p.f :732 °C et SeO₂ , p.f :340°C) pendant 15 min pour améliorer la surface de contact entre les particules et assurer l'homogénéité. Le mélange résultant a été fondu en le plaçant dans un four à moufle maintenu à 550 °C pendant 48 h. Initialement, la température du four a été élevée à raison de 50 °C/h. Ensuite, le four a été refroidi à une vitesse de 10 °C/h jusqu'à la température ambiante et les produits ont été extraits. Le chlore dans le chlorure de métal précurseur s'oxyde lorsqu'il est soumis à une température élevée, comme le montre le mécanisme possible suivant [45].

Schéma de principe de la synthèse des séléniures et tellurures métalliques

Catalyse

Le potentiel catalytique du nanocomposite synthétisé a été évalué en mesurant le taux de réduction du bleu de méthylène-MB en présence de NaBH₄ . MB est un colorant cationique, largement utilisé dans les laboratoires de chimie comme indicateur redox. Une solution millimolaire de  MB a été diluée avec de l'eau déminéralisée suivie de l'ajout de 400 μl de borohydrure de sodium fraîchement préparé-NaBH₄ solution (100 mM) dedans. Plus tard, les composés synthétisés ont été incorporés dans la solution et agités pendant 5 min. La décoloration de l'échantillon représente la conversion du MB en bleu de leucométhylène (LMB) en présence de borohydrure de sodium (voir équation 2). La réaction a été contrôlée par spectrophotométrie et l'absorption à 665 nm a été enregistrée à intervalles de temps réguliers à 25 °C dans la plage de 250-750 nm.

Activité antimicrobienne

L'action bactéricide du matériel synthétisé a été étudiée par un essai de diffusion sur disque contre Staphylococcus aureus Gram positif (G + ve) et gram-négatif (G –ve) Escherichia coli en utilisant des papiers filtres Whatman comme disque dans des conditions aseptiques. Cultures bactériennes contenant 1 × 10 ⁷ Les UFC/mL ont été étalées sur des plaques de gélose nutritive tandis que diverses concentrations (0,25, 0,5 et 1 mg/ml) ont été utilisées pour vérifier la sensibilité des nanocomposites synthétisés par rapport à l'eau déminéralisée (DIW) comme contrôle négatif. Les plaques de gélose inoculées ont été incubées en aérobie pendant une nuit à 37°C et les zones d'inhibition ont été mesurées à l'aide d'une échelle métrique (mm) (logiciel Image J). La reproductibilité des résultats ainsi que la fiabilité ont été assurées en répétant l'expérience trois fois.

Caractérisation des matériaux

Les informations sur la structure et les phases cristallines des produits synthétisés ont été obtenues avec un diffractomètre à rayons X (modèle :PANalytical X'Pert PRO) fonctionnant à 40 kV et 30 mA en utilisant le rayonnement Cu-Kα (λ =1,540 Å) avec une variation de 2θ de 20 à 80° à une vitesse de balayage de 0,02°/s. Le logiciel propriétaire de Philips, X'Pert high score plus, a été utilisé pour l'ajustement et l'intégration des courbes. Les propriétés morphologiques et la composition élémentaire ont été obtenues via (JSM-6460LV) FESEM équipé d'un spectromètre EDS à rayons X à dispersion d'énergie. De plus, l'espacement inter-couches a été évalué à l'aide du HRTEM du modèle Philips (CM30) et du JEOL (JEM 2100F). Les caractéristiques optiques ont été déterminées à l'aide d'un spectrophotomètre UV-Vis (GENESYS 10S) fonctionnant dans une plage de 120 à 1100  nm. Le FTIR a été utilisé pour détecter les groupes fonctionnels via le spectromètre Perkin Elmer utilisé dans la plage de 4000-400 cm ⁻¹ . Des expériences de diffusion Raman ont été menées sur des échantillons en poudre avec un spectromètre Raman équipé d'un laser à diode comme source d'excitation focalisée à une longueur d'onde de 532  nm.

Étude d'amarrage moléculaire

Une étude d'amarrage moléculaire des tellurures et des séléniures synthétisés a été réalisée pour comprendre le mécanisme sous-jacent à l'activité bactéricide. Cela a été entrepris en ciblant des protéines cruciales pour la survie et la croissance des bactéries. Plusieurs cibles protéiques appartenant à diverses voies de biosynthèse ont été sélectionnées pour l'étude d'amarrage moléculaire, à savoir, β -lactamase, dihydrofolate réductase, énoyl-[acyl-transporteur-protéine] réductase (FabI) ​​et bêta-cétoacyl-acyl transporteur protéine synthase III (FabH). Le β -lactamase et dihydrofolate réductase jouent un rôle central dans la biosynthèse de la paroi cellulaire et de l'acide folique, respectivement, nécessaires à la survie bactérienne. De même, les enzymes FabH et FabI catalysent des étapes clés de la voie de biosynthèse des acides gras de la cellule bactérienne [46,47,48].

Des structures cristallographiques de haute qualité des protéines cibles d'E. coli et de S. aureus avec une bonne résolution ont été extraites de la banque de données de protéines (Fig. 2). Les protéines avec PDB ID :3Q81; Résolution : 2.1 Å [49], 1RD7 ; Résolution :2,6  [50], 4D41 ; Résolution 2.3 Å [51], 5BNR; Résolution :1,9  [52] ont été sélectionnés pour comprendre les interactions moléculaires entre les nanoparticules et les résidus actifs des poches de protéines.

Structure 3D des protéines cibles. un Bêta-lactamase (PDB :3Q81 ; S. aureus ). b FabI (APB :4D41 ; S. aureus ). c FabH (PDB :5BNR ; E. coli ). d DHFR (PDB :1RD7 ; E. coli )

Le logiciel ICM v3.8-4a ou supérieur (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) a été utilisé pour l'étude d'amarrage moléculaire [53]. L'outil de préparation des récepteurs d'ICM Molsoft a été utilisé pour la préparation de la structure des protéines impliquant le élimination des molécules d'eau et du ligand co-cristallisé. De plus, la minimisation de l'énergie et l'optimisation des structures protéiques ont été entreprises en utilisant des paramètres par défaut et un champ de force. Plus tard, la poche de reliure a été spécifiée à l'aide de a boîte de grille et 10 meilleurs- des conformations ancrées ont été générées pour examiner le modèle d'interaction des nanoparticules avec les résidus du site actif.

La structure précédemment rapportée des tellurures et des séléniures a été extraite de PubChem au format .cif et utilisée pour la préparation de tellurures dopés au Ta et au Nb, et la structure des séléniures utilisant le Logiciel Gaussian 09 et outil de préparation de ligands d'ICM Molsoft.

Résultats et discussion

La figure 3a représente les profils XRD de composites préparés après recuit à 550 °C. Les pics caractéristiques de tous les échantillons correspondaient étroitement à la base de données du JCPDS. Dans le groupe tellurure, structures tétragonales de TaTe₄ (♦) en C1 (par Brandon et Lessard 1983) [16, 54] et NbTe₄ (♥) en C2 (JCPDS 77-2283) [55] étaient des phases majeures identifiées dans les profils XRD. Les pics de diffraction communs (marqués comme α ) à 21,8° (101), 26,1° (110), 28,6° (111), 29,8° (102), 48,4° (212), 55,1° (114), 62,2° (302), 75,1° (322), et 77,7° (106) peuvent être indexés à la structure cristalline tétragonale n'ayant pas réagi de TeO₂ (f.p :732 °C) (carte JCPDS n°78-1713) [56]. En cas de groupe séléniure, C3 et C4, phases monocliniques de TaSe₃ (♠) Fichier JCPDS :18-1310 [7, 57] et Nb₂ Se₃ (*) Carte JCPDS n° 01-089-2335 [1], ont été respectivement détectés et attribués aux avions hkl. De plus, des oxydes de métaux de transition respectifs ont également été formés dans des échantillons tels que préparés. Dans les pics de diffraction C3 (β ) à 2θ =22,8° et 28,4° correspondant aux plans (001) et (1110) ont été attribués à Ta₂ orthorhombique O₅ phase selon (JCPDS 025-0922) [45]. Les pics indiqués par C4 situés à 23,7 (110), 27,2 (−213), 36,7 (115) et 50,1 (308) peuvent être attribués à la monoclinique Nb₂ O₅ (γ ) tel que rapporté dans (dossier JCPDS n° 37-1468) [58]. La taille moyenne des cristallites des nanoparticules C1, C2, C3 et C4 (22,2, 22,16, 26,7 et 10,04  nm respectivement) a été calculée en utilisant FWHM selon la formule Debye-Scherrer. Une confirmation supplémentaire de la texture cristalline des nanoparticules cultivées a été obtenue en utilisant des modèles de diffraction électronique à zone sélectionnée (SAED) de HR-TEM. Les deux techniques de diffraction SAED et XRD sont des analogues l'une de l'autre; cependant, les premiers ne diffèrent que par l'utilisation d'un faisceau d'électrons au lieu de rayons X monochromatiques [59]. La XRD est la principale technique utilisée pour l'identification de la structure cristalline, mais peut à peine être utilisée pour des échantillons nanocristallins hétérogènes. Il est capable de détecter la distribution de la densité électronique uniquement en raison de l'interaction relativement faible des rayons X avec les électrons seuls, tandis que dans le MET haute résolution, le faisceau d'électrons interagit fortement à la fois avec le champ électrique et nucléaire, donnant ainsi une structure cristalline fortement agrandie par rapport à celui de la diffraction des rayons X [59, 60]. La figure 3b-e montre les modèles (SAED) d'échantillons correspondants avec des anneaux concentriques indexés sur des plans de réflexion hkl qui sont cohérents avec les résultats XRD [61, 62]. Les taches de réflexion brillante dans plusieurs cercles concentriques dans les motifs SAED (b et c) ont indiqué que les nanocomposites synthétisés étaient cristallins tandis qu'une faible réflexion observée parmi ces anneaux brillants a révélé la présence d'un composé amorphe. De plus, l'absence de points brillants dans les anneaux SAED de (d) et de quelques points dans (e) illustre la nature amorphe et légèrement cristalline de ces nanostructures, respectivement [63, 64]. Pour plus d'informations sur la structure cristalline, HRTEM de C1 et C2 a été réalisée et les résultats sont présentés dans les Fig. 3f, g. Les franges claires du réseau dans les images HRTEM indiquent la cristallinité élevée des nanoparticules [65] avec un espacement d de ~ 0,315 et 0,347  nm qui correspond bien à la distance interplanaire du plan (111) du TeO tétragonal₂ (JCPDS n° 78-1713), et (002) plan de NbTe₄ tétragonal (JCPDS 77-2283) [55], respectivement.

un modèles XRD. b-e Images SAED des échantillons C1, C2, C3 et C4 (550 ° C) pendant 48 h. f-g Micrographie HRTEM de nanocristaux (C1 et C2) montrant l'espacement des franges de réseau

Des images FESEM et HRTEM représentatives des produits finaux synthétisés après recuit à 550 °C pendant 48 h sont présentées sur la figure 4 pour une élaboration plus approfondie de la morphologie de surface et de la structure cristalline des NP. Les micrographies FESEM du groupe tellurure (a et b) possèdent des microcristaux en forme de flocons dans C1 tandis que des particules de forme irrégulière non uniforme avec une tendance à s'agréger avec un diamètre moyen de 22 nm sont observées dans C2. Les images FESEM du groupe séléniure (c et d) indiquent les structures en forme de plaque/disque dispersées sur une surface plane (C3) et l'agglomération des particules peut être observée dans la morphologie C4 avec la taille des NP allant de 10 à 27  nm. Ces structures deviennent plus évidentes lorsqu'elles sont examinées avec un MET haute résolution à un grossissement plus élevé (voir Fig. 4e-h) et des inserts (en haut à gauche avec une résolution de 50 nm) confirment également la formation de nanoparticules.

a-d FESEM à l'échelle micrométrique. e-h Micrographies HRTEM à faible grossissement des NP C1, C2, C3 et C4 avec encart à fort grossissement

La spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS) a été utilisée pour déterminer la composition élémentaire des nanocomposites synthétisés. Les spectres EDS (Fig. 5) ont confirmé la présence de tous les éléments constitutifs (Ta, Nb, Te, Se et O) dans les échantillons respectifs. A partir des spectres, il est montré que les échantillons préparés possèdent 16,0 % en poids de Ta et 65,6 % en poids de Te dans C1 et 15 % en poids de Nb et 66,3 % en poids de Te dans C2, ces valeurs sont cohérentes avec les rapports atomiques relatifs des éléments (~ 1:4) présent dans les composés TaTe₄ et NbTe₄ , respectivement. Les signaux de carbone et de cuivre proviennent des échantillons recouverts de carbone et des grilles de Cu utilisées pour les mesures FESEM [7, 66]. Aucun autre pic ou élément associé à des contaminations n'a été observé dans les spectres qui assurent la pureté des produits résultants formés à la suite de la synthèse à l'état solide.

Spectres EDS des échantillons C1, C2, C3 et C4

La nature des liaisons chimiques et des groupes fonctionnels des composites synthétisés C1, C2, C3 et C4 a été élucidée grâce à des études FTIR menées dans la plage de 400-4000 cm ⁻¹ (Fig. 6a). Bandes de transmission significatives observées à 3432 et 1627 cm ⁻¹ sont associés à la fréquence d'étirement du groupe O-H [7]. Dans les spectres des tellurures C1 et C2, les pics intenses observés à 658 cm ⁻¹ correspondent aux vibrations d'étirement des liaisons Te-O dans le trigone bipyramidal (tbp) TeO₄ unités [67] tandis que la bande vibratoire à 776 cm ⁻¹ révèle l'existence de liaison Ta-O-Ta dans C1 [68] et NbO₄ unité tétraédrique en C2 [69]. Les spectres des composites de séléniure préparés C3 et C4 indiquent la présence de liaisons Se-O dues à l'étirement des modes vibrationnels près de 700 cm ⁻¹ [70] Pics transmis dans la région de 700-900 cm ⁻¹ sont attribués à la liaison oxyde métallique en tant que liaison Ta-O-Ta [3] en C3 et liaison Nb-O [69] en C4. La spectroscopie Raman a été réalisée dans la gamme de 50-1050 cm ⁻¹ pour décrire diverses unités structurelles de composites synthétisés (Fig. 6b). La diffusion Raman dans les échantillons de tellurure (C1, C2) a été observée dans trois régions, dont 100-250, 350-450 et 550-850 cm ⁻¹ . Première région à 100-250 cm ⁻¹ correspond à la vibration d'étirement de l'unité Ta-O dans C1, à la flexion vibratoire de la liaison Nb-O-Nb et Nb₂ O₅ octaèdre en C2 [71,72,73,74]. Pic prometteur dans la deuxième région 350-450 cm ⁻¹ est attribuée à l'étirement symétrique des liaisons Te-O-Te [75]. La troisième section comprenait une large bande située à 550-850 cm ⁻¹ et est symétrique aux modes Raman pour la liaison Ta-O terminale, les vibrations d'étirement Te-O/Nb-O et TaO₆ /Nb₂ O₅ modes octaédriques en C1 et C2, respectivement [71,72,73,74]. Dans le cas des composés séléniures, C3 et C4 (les échantillons sont amorphes ou possèdent un faible degré de cristallinité comme observé dans les résultats XRD et HRTEM) Les décalages Raman ne sont observés qu'entre 580-780 cm ⁻¹ , ce qui indique la présence de Ta₂ O₅ en C30 [68] et l'étirement de la liaison Nb-O en C4 [72, 73] en plus des vibrations de pontage Se-O terminales [76]. La diffusion Raman et les modes vibrationnels observés dans les spectres des nanocomposites synthétisés sont en corrélation avec la relation structurelle dérivée des données XRD.

un spectres FTIR. b Spectres Raman de C1, C2, C3 et C4

Des mesures optiques et des propriétés structurelles supplémentaires des échantillons tels que préparés C1, C2, C3 et C4 ont été effectuées dans la plage de 285 à 400  nm en utilisant un spectrophotomètre UV-Vis (GENESYS 10S). La figure 7a illustre les courbes d'absorption tracées en fonction de l'absorbance en ordonnée et de la longueur d'onde (nm) en abscisse. Tous les échantillons cultivés ont montré une absorbance dans la zone UV telle que représentée par des courbes d'absorption dans la plage de 250 à 350  nm [77, 78]. Une bande d'absorption intense a été observée immédiatement en dessous du bord d'absorption près de 292  nm à la fois dans les tellurures et les séléniures en raison de transitions électroniques dans Ta ⁺⁵ , Nb ⁺⁵ et/ou une seule paire d'électrons sur des atomes Te/Se. La longueur d'onde de coupure d'absorption est prise à l'endroit où commence une augmentation brutale de l'absorption optique [4] et c'est la longueur d'onde qui est utilisée pour évaluer la bande interdite optique des composites [79, 80]. Les énergies de bande interdite directe (Eg) ont été estimées en traçant (αhυ ) ² le long de y -axe et hυ sur x -axis suivi de l'extrapolation des ajustements linéaires au x -axe (Fig. 7b). Les valeurs d'interception sur x -L'axe (3,99, 3,91, 3,87 et 3,82  eV) correspond aux bandes interdites estimées de C1, C2, C3 et C4 respectivement, ce qui indique que les NP suivants sont des matériaux à large bande interdite.

un Spectres UV-Vis. b Bande interdite de C1, C2, C3 et C4

La figure 8a-e illustre la dégradation catalytique du bleu de méthylène en présence de NaBH₄ et des nanocomposites examinés à l'aide d'un spectrophotomètre. Le taux de dégradation du colorant en présence de borohydrure de sodium est illustré à la figure 8a, tandis que l'efficacité catalytique du TaTe₄ (C1), NbTe₄ (C2), TaSe₃ (C3), et Nb₂ Se₃ (C4) est illustré sur les figures 8b-e. Une activité catalytique significative a été enregistrée pour les échantillons C2 et C3, car ceux-ci entraînent une diminution successive de la concentration de bleu de méthylène. Il n'a fallu que 3 à 5 min pour la conversion du MB en bleu de leucométhylène, comme le montrent les figures 8c, d. Des performances catalytiques négligeables ont été notées pour les échantillons C1 et C4, comme indiqué sur la figure 8b, e. La faible efficacité catalytique pourrait s'expliquer par de légères différences structurelles qui existent dans l'arrangement quasi-dimensionnel des chaînes MC des matériaux malgré la possession de configurations chimiquement isomorphes [17,18,19]. Les courbes de dégradation des colorants des nanocomposites synthétisés sont présentées sur la figure 8f. Les courbes de dégradation des échantillons C2 et C3 représentent une forte baisse, tandis que les courbes des autres échantillons montrent une légère différence par rapport à la courbe MB standard, ce qui démontre que les échantillons C2 et C3 possèdent un potentiel catalytique plus élevé que le reste des échantillons. Le % de dégradation du bleu de méthylène a été calculé en utilisant l'équation suivante :

Spectres UV-Vis dépendant du temps pour la réduction de MB. un Mo avec NaBH₄ . b Mo avec NaBH₄ + C1. c Mo avec NaBH₄ + C2. d Mo avec NaBH₄ + C3. e Mo avec NaBH₄ + C4

% Dégradation =100 − (C _t × 100∕C _o ) (3)

où l'absorbance initiale de MB est représentée par C _o et absorbance au temps t est affiché comme C _t . Un potentiel significatif de dégradation du colorant a été montré par les échantillons C2 (19,9 %/min) et C3 (33 %/min); Cependant, une activité négligeable a été observée dans les échantillons restants, comme le montre la figure 8g. La réaction de pseudo-premier ordre [81] a été utilisée pour estimer quantitativement l'efficacité catalytique du nanocomposite synthétisé. L'expression suivante (équation 4) a été utilisée pour calculer la constante de vitesse.

Dans [C _o ∕C _t ] =kt (4)

Ici, C _o est la concentration initiale du colorant et k représente la constante de vitesse [82]. La figure 8h illustre les valeurs de constante de vitesse obtenues à partir de la courbe d'absorbance. Ces valeurs sont de 1,0325/min, 0,776/min, 0,086/min et 0,0803/min pour C3, C2, C4 et C1, respectivement. L'échantillon C3, avec une constante de vitesse élevée, présente une capacité catalytique significative pour la dégradation du bleu de méthylène. De même, C2 dépeint également une efficacité catalytique élevée tandis que les échantillons restants ne sont pas prouvés comme des nanocatalyseurs efficaces.

Un essai de diffusion sur disque de gélose a été utilisé pour évaluer la sensibilité antibactérienne des tellurures (C1, C2) et des séléniures (C3, C4) préparés de Nb et Ta. Les zones d'inhibition ont été enregistrées pour les échantillons contre E. coli et S. aureus comme le montre le tableau 1. L'activité antibactérienne du groupe tellurite est supérieure à C3 et C4 (Fig. 9); cependant, la zone inhibitrice maximale a été enregistrée pour l'échantillon C2 à une concentration de 1 µmg/ml pour E. coli (35 mm) et S. aureus (32 mm). De même, l'échantillon C1 a également montré une inhibition maximale à la concentration D4, c'est-à-dire 28 et 29,5 mm pour E. coli et S. aureus , respectivement. Cependant, les concentrations D2 et D3 ont montré une activité bactéricide plus faible que D4; cette tendance représente l'effet cytotoxique dose-dépendant des nanocomposites. Une proportionnalité directe a été observée entre l'effet synergique et les concentrations de NPs et les zones d'inhibition (mm) [83]. Le graphique à barres représente une activité bactéricide négligeable pour l'échantillon C3 (TaSe₃ ) et C4 (Nb₂ Se₃ ) en raison de la présence de sélénium (Se) car c'est un micronutriment essentiel qui favorise la croissance bactérienne et diminue le potentiel antibactérien des échantillons [84]. La diminution marquée de la croissance bactérienne dans le cas des tellurites avec une augmentation de la concentration en nanoparticules est attribuée à la formation d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) qui provoque un stress oxydatif en raison de la réaction redox des ions métalliques, qui inhibe la croissance d'enzymes particulières et détruit l'ADN bactérien entraînant la mort des bactéries [85]. The overall charge on harvested composites was positive while the bacterial cell wall is anionic in nature. One possible reaction mechanism could be the cationic interaction of metal ions, which renders bacterial ribosomes and enzymes dysfunctional, consequently resulting in the collapse of micro-pathogens [86].

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

In order to understand the likely molecular as well as atomic-level events underlying antimicrobial efficacy of nanoparticles, it is important to evaluate their binding interaction with possible protein targets. The enzyme targets selected in the current study belong to biosynthetic pathways that are crucial for survival and growth of bacteria. Molecular docking study was performed to evaluate the binding interaction pattern of metal-doped telluride and selenide with multiple enzyme targets belonging to E. coli et 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 , respectivement.

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

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

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

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

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

Conclusions

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

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont entièrement disponibles sans restriction.

Abréviations

Eg:

Band gap energy

EDS :

Spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie

FESEM :

Microscope électronique à balayage à émission de champ

FTIR :

Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier

(G + ve):

Gram positif

(G –ve):

Gram négatif

HR-TEM :

High resolution transmission electron microscope

JCPDS :

Comité mixte sur les étalons de diffraction des poudres

Mo :

Bleu de méthylène

nm :

Nanomètre

Nb:

Niobium

PL :

Photoluminescence

UV-Vis :

Spectroscopie visible ultra-violet

Ta :

Tantale

XRD :

Diffraction des rayons X