Nb 및 Ta 셀레나이드/텔루라이드 나노복합체의 경제적 합성과 촉매 및 항균 성능 비교

초록

본 연구는 섬유, 제지, 염색 산업 오염물질 제거 및 의료 분야에 유용한 니오븀(Nb)과 탄탈륨(Ta) 셀레나이드와 텔루라이드를 경제적이고 접근 가능한 방법으로 합성하여 비교 연구한 것이다. 고체상 공정으로 나노복합체를 생성하고 다양한 특성 분석 기법을 이용해 두 물질 그룹을 비교했다. 합성된 물질의 구조, 형태, 원소 구성, 작용기는 XRD, EDS 결합 FESEM, FTIR, 라만 분광법으로 각각 분석했다. HR-TEM 이미지는 사방정계와 단사정계 결정 구조의 나노입자를 보여주었다. 광학적 특성은 UV-Vis 분광법으로 차단 파장과 광학 밴드갭 측면에서 평가했다. 두 화합물 그룹의 촉매 및 살균 특성 비교 평가 수행. 추출된 나노복합체를 촉매로 사용 시 서로 동질상(imorphs)이지만 NaBH₄ 존재 하 메틸렌 블루(MB) 염료 촉매 분해에서 현저히 다른 거동 보임. 이 특이한 차이는 그들 사이의 미세한 구조적 차이에 기인할 수 있다. Escherichia coli와 Staphylococcus aureus(각각 그람 음성, 양성 세균)를 디스크 확산법으로 이용한 두 클러스터의 체외 항균 테스트 모델 균주로 지정. 텔루라이드 시스템이 우수한 항균 효능(유의미한 억제 존 26-35 mm)을 보인 반면 셀레나이드 시스템은 억제 존 직경 0.8-1.9 mm 범위. 또한 분자 도킹 연구로 나노입자와 표적 세포 단백질 활성 부위 간 결합 상호작용 패턴 확인. 결과는 항균 테스트 결과와 일치하며 NbTe₄가 FabH와 FabI 효소에 대한 최적 억제제임을 시사.

서론

전이 금속 칼코게나이드 TMCs(M = Ti, V, Nb, Ta, Mo, W 등; C = S, Se, Te)는 바람직한 광학, 전기, 전기화학적 특성[3]으로 전자, 에너지 변환 및 저장, 광전지, 열전, 촉매 등 다수 산업 분야에 적합한 유망 소재다[1, 2]. 최근 니오븀과 탄탈륨 도핑 셀레나이드와 텔루라이드가 반도체, IR-가시광 상향 변환[4, 5], 가스 센서[6], 레이저 다이오드, 의료 진단, 광검출 소자, 광촉매[7], 초전도체, 위상 절연체 또는 반금속[8] 등 잠재적 용도로 큰 주목받고 있다. 일반적으로 전이 금속 칼코게나이드는 MC₂, MC₃, MC₄ 시스템으로 존재하며 M은 전이 금속, C = S, Se, Te[9]. 낮은 셀레나이드와 텔루라이드 MC₂는 금속 원자가 팔면체 위치에 층 사이에 위치한 고도로 층상 2차원(2D) 구조[10, 11]를 가진다. 그래핀(2004년 발견된 최초 2D 소재)[12], 흑린, 육방정계 질화붕소[13] 등 2D 소재는 독특한 전자, 구조, 광학, 자기 특성[14]으로 광범위하게 탐구됨. 반면 MC₃과 MC₄는 준 1차원 구성으로 결정화되는 비층상 구조[15, 16]로 무한 MC 사슬 보유. 화학식은 양 그룹 유사하지만 구조적으로 약간 상이. 이러한 구조적 차이는 전기적 수송 특성 변화 유발[17,18,19]. 텔루라이드를 황화물, 셀레나이드와 구별하는 중요한 특징은 Te의 큰 원자 번호가 결정 구조, 전자 구성, 물리적 특성에 미치는 영향. Te의 원자가 오비탈 확산적 특성[20]과 더 공유적인 성질[21]은 강한 스핀-궤도(SO) 결합 유발[22]. 현재 강한 SO 결합 소재는 응집 물질 물리학에서 큰 관심[23]. 이와 관련해 큰 원자 번호 갖는 저차원 준(1D) 텔루라이드(NbTe₄) 초전도성 연구 중[21, 24]. 다양한 분야에서 TM 나노구조 셀레나이드와 텔루라이드 수요 증가로 졸-겔[7, 25, 26], 전기방사[27], 지향적 부착 공정[28, 29], 화학 기상 증착[30], 유기 용액 기반 고온 합성[31], 템플릿 지향 법[32], 수열/용매열 반응[33] 등 다양한 합성 접근법 채택.

다양한 산업에서 배출되는 유기 염료와 안료 독성으로 인한 막대한 환경 오염은 전 지구적 건강 위험 주요 원인. 복잡한 방향족 구조, 친수성, 빛/화학물질/온도에 대한 안정성[35, 36]으로 기존 수처리 방법으로 생분해 안 되는 폐수 제거 불가능[7, 34]. 따라서 효과적이고 편리하며 경제적 분해 기술 개발이 최근 최우선 관심사[37]. 현재 물리, 생물, 화학 기반 다양한 방법이 염료 오염 폐수 처리에 채택[38]. 이들 방법은 높은 자본 비용, 낮은 효율, 느림, 높은 에너지 투입으로 실용성 부족. 반면 촉매 환원 공정은 상대적으로 빠르고 저렴하며 저온 처리라 선호[35, 37]. 이 점에서 VSe₂(광촉매 및 슈퍼커패시터)[39], Yb 도핑 WTe₃(초단파 레이저 및 증폭기)[40, 41], TaSe₃(초전도체), TaS 및 NbSe₃(반도체) 등 여러 전이 금속 칼코게나이드 보고[7, 27]. 여기서 본 연구 화합물을 이용한 NaBH₄에 의한 메틸렌 블루(MB) 촉매 환원 연구는 훨씬 덜 주목받았음 지적.

생의학 분야에서 금속 복합체 항균 특성은 오래전부터 인식되어 의학 역사상 가장 획기적 혁신들에 성공적으로 사용[42, 43]. 전이 금속 중 Ta 화합물은 비반응성, 무독성, 생체적합성으로 우수한 항균제로 보고[44]. 반면 Nb 복합체 생물살제 연구는 상당히 제한적[44].

위 관점에서 전이 금속(Nb, Ta) 셀레나이드와 텔루라이드 합성 및 촉매, 항균 특성 평가 비교 연구 수행. 우리 지식으로는 이러한 비교 연구 보고된 바 없음. 고체상 기술로 셀레나이드(TaSe₃, Nb₂Se₃)와 텔루라이드(TaTe₄, NbTe₄) 합성, 분리 생성물 원소 분석, FTIR, 라만, EDS, FESEM, HRTEM, UV-Vis 분광법으로 특성 분석. 또한 분자 도킹 연구로 국소 분리 세균주 E. coli와 S. aureus 세포 단백질과 나노입자 결합 상호작용 패턴 평가. 본 연구 목적은 전이 금속 텔루라이드와 셀레나이드 촉매, 살균, 분자 도킹 성능 비교 거동 평가.

방법

본 연구는 전이 금속 텔루라이드와 셀레나이드 비교 거동을 촉매, 살균 특성, 분자 도킹 분석 조사 목적으로 수행.

시약

니오븀 펜타클로라이드-NbCl₅(99%), 탄탈륨 펜타클로라이드-TaCl₅(99.8%), 셀레늄 디옥사이드-SeO₂(≥ 99.9%), 텔루륨 디옥사이드-TeO₂(≥ 99%), 메틸렌 블루(MB), 붕소수소화나트륨(NaBH₄), 질산 HNO₃(65%)는 Sigma-Aldrich서 구입. 염산-HCl(37%)은 Riedel-de Haen서 구입. 왕수로 유리기구 세척 후 이중 증류수로 2회 헹굼. 영양 한천 Merck서 구입. 순수 세균 배양주 Zoology Department, G.C. University, Lahore 제공. 사용 전 추가 정제 처리 안 함.

전이 금속 셀레나이드 및 텔루라이드 합성

텔루라이드(TaTe₄, NbTe₄)와 셀레나이드(TaSe₃, Nb₂Se₃) 두 그룹을 표준 고체상 기술로 합성(그림 1 참조). 전구체 금속 염화물(TaCl₅, mp: 216°C, NbCl₅, mp: 204.7°C) 각각을 칼코겐 산화물(TeO₂, mp: 732°C, SeO₂, mp: 340°C)과 15분간 철저히 혼합 및 분쇄하여 입자 간 접촉 면적 증대 및 균질성 확보. 결과 혼합물 머플 퍼니스에 넣어 550°C에서 48시간 용융. 초기 퍼니스 온도 50°C/h 속도 상승. 이후 10°C/h 속도로 실온까지 냉각 후 생성물 추출. 전구체 금속 염화물 염소 고온서 산화, 다음 가능 메커니즘 보임[45].

금속 셀레나이드 및 텔루라이드 합성 개략도

촉매

합성 나노복합체 촉매 잠재력 NaBH₄ 존재 하 메틸렌 블루-MB 환원율 측정으로 평가. MB는 양이온 염료로 화학 실험실서 산화환원 지시약으로 널리 사용. 1 mM MB 용액을 탈염수로 희석 후 400 μl 신선 제조 100 mM NaBH₄ 용액 첨가. 이후 합성 화합물 용액에 혼입 5분 교반. 샘플 탈색은 NaBH₄ 존재 하 MB가 류코메틸렌 블루(LMB)로 전환됨 의미(식 2). 분광광도법으로 반응 모니터링, 25°C에서 250-750 nm 범위 내 665 nm 흡수율 정기적 간격 기록.

항균 활성

합성 물질 살균 작용 Whatman 여지 디스크로 무균 조건 하 그람 양성(G + ve) Staphylococcus aureus와 그람 음성(G –ve) Escherichia coli 대상 디스크 확산법으로 연구. 1 × 10⁷ CFU/mL 세균 배양액 영양 한천 평판 도말, 다양한 농도(0.25, 0.5, 1 mg/ml)로 합성 나노복합체 감수성 검사, 탈염수(DIW) 음성 대조군. 접종 한천 평판 37°C 호기적 조건 하룻밤 배양, 억제 존 미터 자(mm)로 측정(Image J 소프트웨어). 실험 3회 반복으로 결과 재현성 및 신뢰성 확보.

물질 특성 분석

합성 생성물 구조 및 결정상 정보 X선 회절계(모델: PANalytical X'Pert PRO)로 40 kV, 30 mA, Cu-Kα 방사선(λ = 1.540 Å), 2θ 20-80°, 주사 속도 0.02°/s 조건 획득. Philips 독점 소프트웨어 X'Pert HighScore Plus로 커브 피팅 및 적분. 형태적 특성 및 원소 구성 JSM-6460LV FESEM과 EDS 분광기로 획득. 층간 간격 Philips(CM30), JEOL(JEM 2100F) HRTEM으로 평가. 광학 특성 UV-Vis(GENESYS 10S) 분광광도계 120-1100 nm 범위서 결정. FTIR은 Perkin Elmer 분광기 4000-400 cm⁻¹ 범위서 작용기 검출. 라만 산란 실험 분말 시료 532 nm 다이오드 레이저 흥분원으로 수행.

분자 도킹 연구

합성 텔루라이드와 셀레나이드 분자 도킹 연구로 살균 활성 기저 메커니즘 이해. 세균 생존과 성장에 필수적 단백질 표적. 다양한 생합성 경로 속 다중 단백질 표적 분자 도킹 연구 선정: β-락타마제, 디하이드로폴산 환원효소, 에노일-[아실-운반체 단백질] 환원효소(FabI), 베타-케토아실-아실 운반체 단백질 합성효소 III(FabH). β-락타마제와 디하이드로폴산 환원효소는 각각 세포벽과 엽산 생합성 핵심 역할, 세균 생존 필요. 마찬가지로 FabH와 FabI 효소는 세균 세포 지방산 생합성 경로 핵심 단계 촉매[46,47,48].

E. coli와 S. aureus 표적 단백질 고품질 결정 구조 양호한 해상도로 단백질 데이터 뱅크서 검색(그림 2). PDB ID: 3Q81; 해상도: 2.1 Å[49], 1RD7; 해상도: 2.6 Å[50], 4D41; 해상도 2.3 Å[51], 5BNR; 해상도: 1.9 Å[52] 단백질 나노입자와 활성 포켓 잔기 간 분자 상호작용 이해 위해 선정.

표적 단백질 3D 구조. a 베타 락타마제 (PDB: 3Q81; S. aureus). b FabI (PDB: 4D41; S. aureus). c FabH (PDB: 5BNR; E. coli). d DHFR (PDB: 1RD7; E. coli)

ICM v3.8-4a 이상(Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) 소프트웨어 분자 도킹 연구에 사용[53]. ICM Molsoft 수용체 준비 도구로 단백질 구조 준비: 물 분자와 공결정 리간드 제거, 기본 파라미터와 힘장으로 에너지 최소화 및 단백질 구조 최적화. 이후 그리드 박스로 결합 포켓 지정, 10개 최적 도킹 컨포메이션 생성해 나노입자와 활성 부위 잔기 상호작용 패턴 조사.

이전 보고 텔루라이드와 셀레나이드 구조 PubChem서 .cif 형식으로 검색, Ta-도핑, Nb-도핑 텔루라이드, 셀레나이드 구조 Gaussian 09 소프트웨어와 ICM Molsoft 리간드 준비 도구로 준비.

결과 및 논의

그림 3a는 550°C 어닐링 후 제조 복합체 XRD 패턴. 모든 시료 특성 피크 JCPDS 데이터베이스와 근접 매칭. 텔루라이드 그룹에서 TaTe₄(♦) C1(브랜든과 레사드 1983)[16, 54], NbTe₄(♥) C2(JCPDS 77-2283)[55] 사방정계 구조가 XRD 패턴 주요 상으로 확인. 공통 회절 피크(α 표시) 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)는 미반응 사방정계 TeO₂(mp: 732°C)(JCPDS 카드 No.78-1713)[56] 인덱싱 가능. 셀레나이드 그룹에서 C3, C4 단사정계 TaSe₃(♠) JCPDS 파일: 18-1310[7, 57], Nb₂Se₃(*) JCPDS 카드 no. 01-089-2335[1] 각각 검출, hkl 면 할당. 또한 각 전이 금속 산화물도 제조 시료서 형성. C3 회절 피크(β) 2θ = 22.8°와 28.4°는 (001), (1110) 면에 해당, 정방정계 Ta₂O₅ 상 귀속(JCPDS 025-0922)[45]. C4 피크 23.7(110), 27.2(−213), 36.7(115), 50.1(308) 단사정계 Nb₂O₅(γ) 귀속(JCPDS 파일 No. 37-1468)[58]. C1, C2, C3, C4 나노입자 평균 결정립 크기(각각 22.2, 22.16, 26.7, 10.04 nm) Debye-Scherrer 공식으로 FWHM 이용해 계산. HR-TEM 선택 영역 전자 회절(SAED) 패턴으로 성장 나노입자 결정질 조직 추가 확인. SAED와 XRD 모두 유사 기술이나 전자빔 대신 단색 X선 사용 차이만[59]. XRD는 결정 구조 식별 주 기술이나 이종 나노결정 시료엔 어려움. X선-전자 약한 상호작용으로 전자 밀도 분포만 탐지 가능하나 고해상도 TEM은 전자빔이 전기장과 핵장 모두와 강하게 상호작용하여 X선 회절보다 고배율 결정 구조 제공[59, 60]. 그림 3b-e 해당 시료 SAED 패턴, 동심원 hkl 반사면 인덱싱, XRD 결과와 일치[61, 62]. SAED 패턴(b, c) 여러 동심원 내 밝은 반사 점들로 합성 나노복합체 결정성 입증, 밝은 링 사이 약한 반사로 비정질 화합물 존재 드러냄. 또한 (d) SAED 링 밝은 점 부재와 (e) 몇 개 점으로 나노구조 비정질 및 약한 결정성 각각 나타냄[63, 64]. 결정 구조 추가 통찰 위해 C1, C2 HRTEM 수행, 결과 그림 3f, g 제시. HRTEM 이미지 명확한 격자 무늬로 나노입자 높은 결정성[65] 입증, d-간격 ~0.315, 0.347 nm 각각 사방정계 TeO₂(JCPDS no. 78-1713) (111) 면, 사방정계 NbTe₄(JCPDS 77-2283)[55] (002) 면 면간 거리와 잘 일치.

a XRD 패턴. b-e C1, C2, C3, C4 시료 SAED 이미지(550°C, 48 h). f-g 나노결정 HRTEM 마이크로그래프 격자 무늬 간격 표시

550°C 48시간 어닐링 후 최종 생성물 대표 FESEM 및 HRTEM 이미지 그림 4로 표면 형태와 결정 구조 추가 설명. 텔루라이드 그룹 FESEM 마이크로그래프(a, b) C1 박편형 미세결정, C2 평균 지름 22 nm 응집 경향 불규칙 입자. 셀레나이드 그룹 FESEM 이미지(c, d) C3 평평한 표면 위 판/디스크형 구조 분산, C4 형태서 입자 응집 관찰, 나노입자 크기 10-27 nm 범위. 고배율 고해상도 TEM으로 더 명확(그림 4e-h, 좌상단 인셋 50 nm 해상도도 나노입자 형성 확인).

a-d 마이크로미터 스케일 FESEM. e-h C1, C2, C3, C4 나노입자 저배율 HRTEM 마이크로그래프, 고배율 인셋

에너지 분산형 X선 분광법(EDS)으로 합성 나노복합체 원소 구성 결정. EDS 스펙트럼(그림 5) 각 시료 구성 원소(Ta, Nb, Te, Se, O) 존재 확인. 스펙트럼서 C1 16.0 wt% Ta, 65.6 wt% Te, C2 15 wt% Nb, 66.3 wt% Te로 화합물 TaTe₄, NbTe₄ 원자 비율(~1:4)과 일치. 탄소와 구리 신호는 FESEM 측정용 탄소 코팅 시료와 Cu 그리드 기인[7, 66]. 스펙트럼서 다른 피크나 오염 관련 원소 미관찰로 고체상 합성 결과 생성물 순도 보장.

C1, C2, C3, C4 시료 EDS 스펙트럼

합성 복합체 C1, C2, C3, C4 화학적 결합 본질과 작용기 FTIR 연구로 400-4000 cm⁻¹ 범위서 규명(그림 6a). 3432, 1627 cm⁻¹ 유의미 투과 밴드 O-H 기 신축 진동수 관련[7]. 텔루라이드 스펙트럼 C1, C2서 관찰된 658 cm⁻¹ 강렬한 피크 삼각 쌍피라미드(tbp) TeO₄ 단위 Te-O 결합 신축 진동 대응[67], 776 cm⁻¹ 진동 밴드 C1 Ta-O-Ta 결합[68], C2 NbO₄ 사면체 단위 존재 나타냄[69]. 제조 셀레나이드 복합체 C3, C4 스펙트럼 700 cm⁻¹ 근처 신축 진동 모드로 Se-O 결합 존재 나타냄[70]. 700-900 cm⁻¹ 영역 투과 피크 C3 Ta-O-Ta 결합[3], C4 Nb-O 결합[69] 금속 산화물 결합 할당. 라만 분광법 50-1050 cm⁻¹ 범위서 합성 복합체 다양한 구조 단위 공개(그림 6b). 텔루라이드 시료(C1, C2) 라만 산란 100-250, 350-450, 550-850 cm⁻¹ 세 영역서 관찰. 첫 영역 100-250 cm⁻¹ C1 Ta-O 단위 신축 진동, C2 Nb-O-Nb 연결 진동 굽힘, Nb₂O₅ 팔면체 대응[71,72,73,74]. 유망한 피크 두 번째 영역 350-450 cm⁻¹ Te-O-Te 결합 대칭 신축 귀속[75]. 세 번째 섹션 550-850 cm⁻¹ 광대역, C1 말단 Ta-O 결합, Te-O/Nb-O 신축 진동, TaO₆/Nb₂O₅ 팔면체 모드, C2 각각 대칭 라만 모드[71,72,73,74]. 셀레나이드 화합물 C3, C4(XRD, HRTEM 결과 비정질 또는 낮은 결정도) 라만 이동 580-780 cm⁻¹만서 관찰, C3 Ta₂O₅ 모이어티[68], C4 Nb-O 결합 신축[72, 73] 외 말단 Se-O 브리징 진동[76] 존재 나타냄. 합성 나노복합체 스펙트럼 관찰 라만 산란과 진동 모드 XRD 데이터서 유도된 구조적 관계와 상관관계.

a FTIR 스펙트럼. b C1, C2, C3, C4 라만 스펙트럼

제조 시료 C1, C2, C3, C4 광학 측정 및 추가 구조적 특성 UV-Vis(GENESYS 10S) 분광광도계로 285-400 nm 범위서 수행. 그림 7a 흡수 곡선, 세로축 흡광도, 가로축 파장(nm). 모든 성장 시료 흡수 곡선 250-350 nm 범위서 UV 영역 흡광도 보임[77, 78]. 텔루라이드와 셀레나이드 모두 흡수 에지 근처 292 nm 바로 아래 강렬한 흡수 밴드 관찰, Ta⁺⁵, Nb⁺⁵ 이온 전자 전이 및/또는 Te/Se 원자 홀전자쌍 기인. 흡수 차단 파장은 광학 흡수 급격 증가 시작 지점[4]으로 복합체 광학 밴드갭 평가에 사용 파장[79, 80]. 직접 밴드갭 에너지(Eg) (αhυ)² y축, hυ x축 플로팅 후 선형 피팅 x축 외삽으로 추정(그림 7b). x축 절편값(3.99, 3.91, 3.87, 3.82 eV) 각각 C1, C2, C3, C4 추정 밴드갭 대응, 후속 나노입자 광대역갭 물질임 나타냄.

a UV-Vis 스펙트럼. b C1, C2, C3, C4 밴드갭

그림 8a-e NaBH₄와 나노복합체 존재 하 메틸렌 블루 촉매 분해 분광광도계로 조사. NaBH₄ 존재 하 염료 분해율 그림 8a, TaTe₄(C1), NbTe₄(C2), TaSe₃(C3), Nb₂Se₃(C4) 촉매 효율 그림 8b-e. C2, C3 시료서 유의미 촉매 활성 기록, 메틸렌 블루 농도 연속 감소. MB가 류코메틸렌 블루로 전환 3-5분 소요(그림 8c, d). C1, C4 시료서 무시할 촉매 성능(그림 8b, e). 낮은 촉매 효율은 화학적으로 동질상 구성에도 불구, 물질 준차원 MC 사슬 배열 미세 구조적 차이 설명 가능[17,18,19]. 합성 나노복합체 염료 분해 곡선 그림 8f. C2, C3 분해 곡선 급격한 감소, 다른 시료 곡선 표준 MB 곡선서 약간 차이, C2, C3 나머지 시료보다 높은 촉매 잠재력 보유 입증. 메틸렌 블루 % 분해 다음 식 계산:

MB 환원 시간 의존 UV-Vis 스펙트럼. a MB + NaBH₄. b MB + NaBH₄ + C1. c MB + NaBH₄ + C2. d MB + NaBH₄ + C3. e MB + NaBH₄ + C4

% 분해 = 100 − (C_t × 100∕C_o) (3)

초기 MB 흡광도 C_o, 시간 t 흡광도 C_t 표시. C2(19.9%/min), C3(33%/min) 유의미 염료 분해 잠재력 보임, 나머지 시료 무시할 활성(그림 8g). 유사 1차 반응[81]으로 합성 나노복합체 촉매 효율 정량적 추정. 다음 식(식 4) 속도 상수 계산 사용.

ln [C_o∕C_t] = kt (4)

C_o 초기 염료 농도, k 속도 상수[82]. 그림 8h 흡광도 곡선서 얻어진 속도 상수 값. 각각 C3, C2, C4, C1 1.0325/min, 0.776/min, 0.086/min, 0.0803/min. 높은 속도 상수 C3 메틸렌 블루 분해 유의미 촉매 숙련도 보임. C2도 높은 촉매 효율, 나머지 시료 효과적 나노촉매 아님 입증.

아가 디스크 확산법으로 제조 텔루라이드(C1, C2)와 셀레나이드(C3, C4) 항균 감수성 평가. E. coli와 S. aureus 대상 억제 존 표 1 기록(그림 9). 텔루라이드 그룹 항균 활성 C3, C4보다 큼; 최대 억제 존 C2 1 mg/ml 농도서 E. coli(35 mm), S. aureus(32 mm) 기록. C1도 D4 농도서 최대 억제, E. coli 28 mm, S. aureus 29.5 mm. 그러나 D2, D3 농도 D4보다 낮은 살균 활성, 이 경향 나노복합체 용량 의존 세포독성 효과 나타냄. 시너지 효과와 나노입자 농도, 억제 존(mm) 간 정비례[83]. 막대 그래프 C3(TaSe₃), C4(Nb₂Se₃) 무시할 살균 활성, 셀레늄(Se) 필수 미량 영양소로 세균 성장 촉진, 시료 항균 잠재력 감소 때문[84]. 텔루라이트서 나노입자 농도 증가에 따른 세균 성장 현저 감소는 금속 이온 산화환원 반응 결과 반응성 산소종(ROS) 형성, 산화 스트레스 유발, 특정 효소 저해 및 세균 DNA 파괴로 세균 사망 유도 때문[85]. 수확 복합체 전체 전하 양성, 세균 세포벽 음성. 한 가능 메커니즘 금속 이온 양이온 상호작용으로 세균 리보솜과 효소 기능 장애, 미세 병원체 붕괴 결과[86].

C1, C2, C3, C4 디스크 확산 분석 및 정성 항균 평가 (a) Escherichia coli, (b) Staphylococcus aureus

나노입자 항균 효능 기저 분자 및 원자 수준 사건 이해 위해 가능한 단백질 표적과 결합 상호작용 평가 중요. 현재 연구 선정된 효소 표적 세균 생존 성장 필수 생합성 경로 속함. E. coli와 S. aureus 속 다중 효소 표적과 금속 도핑 텔루라이드, 셀레나이드 결합 상호작용 패턴 평가 위해 분자 도킹 연구 수행. 니오븀 도핑 텔루라이드(NbTe₄)(그림 10 참조) S. aureus 에노일-[아실-운반체 단백질] 환원효소(FabI), E. coli 베타-케토아실-아실 운반체 단백질 합성효소 III(FabH) 최적 도킹 복합체 획득.

니오븀 도핑 텔루라이드(NbTe₄) 2D, 3D 뷰 구조

E. coli 베타-케토아실-아실 운반체 단백질 합성효소 III(FabH) NbTe₄ 최적 도킹 구성 도킹 스코어 −4.361 kcal/mol. NbTe₄ 나노입자 Ala246, Ile156과 수소 결합 상호작용 형성, 결합 거리 각각 1.4 Å, 1.5 Å(그림 11). 또한 지방산 생합성 경로 또 다른 중요 효소 에노일-[아실-운반체 단백질] 환원효소(FabI) 저해 시 세균 사망 유도. NbTe₄ 나노입자 FabI 활성 포켓 도킹 결합 스코어 −3.829 kcal/mol, Met12 수소 결합 상호작용, Gly13 금속 접촉 귀속(그림 12).

E. coli 베타-케토아실-아실 운반체 단백질 합성효소 III(FabH) 활성 부위 잔기 NbTe₄ 나노입자 결합 상호작용 패턴

S. aureus 에노일-[아실-운반체 단백질] 환원효소(FabI) 활성 부위 잔기 NbTe₄ 나노입자 결합 상호작용 패턴

실리코 발견 항균 활성과 잘 일치, NbTe₄ 나노입자 최대 억제 존 보이며 지방산 생합성 경로 속 FabH, FabI 효소 잠재적 억제제 제안, 억제 특성 추가 탐구 가능. 이 나노입자 인체 및 동물 잠재적 독성 효과 우려 해결 중요. 인간서 니오븀 금속 독성 효과 보고된 바 없으나, 동물서 탄탈륨 및 기타 테스트 희토류 원소보다 높은 독성 보임. 니오븀 쥐 간 효소 석시네이트 탈수소효소 억제 효과 Horecker 등[87] 최초 발견, 나중에 Cochran 동료들[88] 조사, 니오븀 독성 금속 활성화 효소 반응 간섭 귀속. 텔루륨 생화학 인간 동물 독성학 관점 셀레늄보다 덜 검토. 텔루륨과 셀레늄 많은 화학적 유사성 보이나 텔루륨 영양 역할 보고된 바 없음. 게다가 미량 Te 다양한 생물체 만성 급성 독성 유도 보고[89]. 생물학적 환경서 Te 생리적 pH서 덜 용해, Se보다 쉽게 아텔루라이트(TeO₃⁻²), 텔루레이트(TeO₄⁻²), TeO₂로 산화. 이산화 텔루륨 생물학적 pH서 물 불용성, 텔루륨 환원 생성물 H₂Te 빛과 공기서 H₂Se보다 쉽게 분해. 텔루륨 이러한 특성 셀레늄보다 덜 생물독성 원소 만듦. 다른 포유류와 유사, 인간 텔루륨 염 주사 후 환원, 메틸화 발생, Te⁰, (CH₃)₂Te 형성, 호흡, 배뇨, 발한으로 체외 배출[90].

결론

두 종류 화합물 즉 전이 금속(Ta, Nb) 셀레나이드(TaSe₃, Nb₂Se₃)와 텔루라이드(TaTe₄, NbTe₄) 표준 고체상 기술로 성공적 합성. 결정학적, 형태적 증거 단사정계 셀레나이드, 사방정계 텔루라이드 결정화 나타내며 나노 영역 입자 응집 경향 시사. XRD서 추정 평균 결정립 크기(~10-22 nm), d-간격 (111) 면 0.31 nm, (002) 면 0.34 nm HR-TEM 결과와 일치. 각 시료 구성 원소(Ta, Nb, Se, Te, O) 존재 상대적 원자 비율 일치 EDS 스펙트럼 확인. 나노입자 FTIR, 라만 스펙트럼 투과, 흡수 피크 Nb-O/Te-O, TaO₆, NbO₄, Se-O/Ta₂O₅, Se-O/Nb-O 구조 단위 존재 나타냄. 광학 특성 두 그룹 추출 생성물 3.82-3.99 eV 광대역갭 반도체, NbTe₄와 TaSe₃ 구조 미세 차이로 TaTe₄, Nb₂Se₃보다 좋은 촉매 잠재력 보임. 게다가 텔루라이드 클러스터 (G + ve) Staphylococcus aureus, (G –ve) Escherichia coli 대상 실질적 항균 효능으로 전이 금속 텔루라이드 셀레나이드 계열보다 유망한 살균 관리자 제안. NbTe₄ 결정 분자 도킹 조사 표적 단백질 활성 부위 내 주목할 결합 스코어와 상호작용 메커니즘 보여 FabH, FabI 효소 잠재적 억제제 사용 가능, 억제 특성 추가 탐구 가능.

데이터 및 재료 가용성

모든 데이터 제한 없이 완전히 이용 가능.

약어

Eg:

밴드갭 에너지 (Band gap energy)

EDS:

에너지 분산형 X선 분광법 (Energy dispersive X-ray spectroscopy)

FESEM:

전계 방사 주사전자현미경 (Field emission scanning electron microscope)

FTIR:

푸리에 변환 적외선 분광법 (Fourier transform infrared spectroscopy)

(G + ve):

그람 양성 (Gram positive)

(G –ve):

그람 음성 (Gram negative)

HR-TEM:

고해상도 투과전자현미경 (High resolution transmission electron microscope)

JCPDS:

분말 회절 표준 합동 위원회 (Joint committee on powder diffraction standards)

MB:

메틸렌 블루 (Methylene blue)

nm:

나노미터 (Nanometer)

Nb:

니오븀 (Niobium)

PL:

발광 (Photoluminescence)

UV-Vis:

자외선-가시광 분광법 (Ultra-violet visible spectroscopy)

Ta:

탄탈륨 (Tantalum)

XRD:

X선 회절 (X-ray diffraction)