Een overzicht van de toepassing van biosensoren en nanosensoren in agro-ecosystemen

Inleiding

De afgelopen decennia zijn er veel uitdagingen geweest, zoals een voortdurende demografische druk, onophoudelijk fluctuerende klimatologische omstandigheden, evenals de verhoogde sweepstakes voor de hulpbronnen, die allemaal een enorme bedreiging vormden en dus een dringende behoefte veroorzaakten om de wereldwijde voedselzekerheid te garanderen. De bestaande landbouwpraktijken om aan de voedselbehoeften te voldoen, omvatten ongecontroleerd gebruik van hulpbronnen, geavanceerde machines en een toenemend en willekeurig gebruik van landbouwchemicaliën. Deze praktijken hebben geleid tot een aanzienlijke verslechtering van de bodem-, lucht- en watervoorraden, waardoor de vervuilingsniveaus in de landbouwomgevingen duidelijk zijn gestegen, wat op zijn beurt de gezondheid van mens en dier sterk heeft aangetast. De omvang van de gezondheidseffecten van het gebruik van pesticiden kan worden geschat op basis van de informatie dat wereldwijd 26 miljoen mensen jaarlijks het slachtoffer worden van pesticidenvergiftiging, wat resulteert in ongeveer 220.000 doden per jaar [1]. Bovendien blijven de residuen van bestrijdingsmiddelen, vanwege hun persistente karakter, lange tijd in het milieu aanwezig, waardoor de bodem wordt verontreinigd en er dus bezorgdheid ontstaat over het functioneren van de bodem, de biodiversiteit en de voedselveiligheid [2]. Bovendien zijn er al veel rapporten beschikbaar over het binnendringen van residuen van bestrijdingsmiddelen in de voedselketen, gevolgd door hun accumulatie in het lichaam van consumenten, wat verder leidt tot ernstige gezondheidsproblemen. Van de pesticiden is ook bekend dat ze van nature cytotoxisch en kankerverwekkend zijn [3,4,5,6]. Ze kunnen ook verschillende zenuw- en beenmergaandoeningen, onvruchtbaarheid en ademhalings- en immunologische aandoeningen veroorzaken [7,8,9,10]. Daarom wordt de monitoring van residuen van bestrijdingsmiddelen in het milieu een dringende zorg. Bovendien zal het regelmatig monitoren van dergelijke resterende pesticiden ook informatie opleveren over de vraag of hun voorkomen binnen of buiten de aanvaardbare limieten ligt [11].

Een andere belangrijke uitdaging waarmee de agro-ecosystemen worden geconfronteerd, is de persistentie van dodelijke zware metalen, waaronder cadmium, kwik, koper, zink, nikkel, lood en chroom, aangezien ze verantwoordelijk worden gehouden voor langdurige en aanzienlijke schade aan verschillende biotische systemen door biologische acties op het cellulaire niveau [12, 13], bijvoorbeeld via verstoring van de fotosynthese, verstoring van de opname van mineralen, onderbreking van de elektronentransportketen, inductie van lipideperoxidatie, verstoring van het metabolisme van essentiële elementen, inductie van oxidatieve stress en door beschadiging van de plant organen zoals wortel, bladeren en andere cellulaire componenten [14,15,16]. Absoluut, hun natuurlijke voorkomen in de aardkorst is een onmiskenbaar feit, maar de ongecontroleerde antropogene activiteiten hebben de geochemische cyclus en het biochemische evenwicht van deze elementen in opmerkelijke mate verstoord. Dit heeft geleid tot een verhoogde prevalentie van dergelijke metalen in verschillende plantendelen. Samen benadrukken alle risico's van de aanwezigheid en prevalentie van zware metalen in verschillende ecosystemen de noodzaak om systemen te ontwikkelen om ze te detecteren, zelfs bij lage concentraties in milieumonsters [17].

Op dit moment zijn er verschillende methoden beschikbaar voor het bewaken van agro-ecosystemen, waaronder gaschromatografie, hoogwaardige vloeistofchromatografie, massaspectroscopie en meer (Fig. 1). Al deze technieken kunnen gemakkelijk verontreinigingen in het milieu en landbouwmonsters detecteren en kwantificeren. Integendeel, de gevoeligheid, specificiteit en reproduceerbaarheid van dergelijke metingen zijn onbetwistbaar, maar de toepassing van deze methoden wordt voornamelijk beperkt door hun tijdsverbruik, hoge kosten en de vereiste van geavanceerde apparatuur en bekwaam personeel [8]. Daarom is er een ondoordringbare behoefte aan bescheiden, snelle en economisch haalbare methoden voor het monitoren van dergelijke landbouwverontreinigingen [18,19,20]. Nanosensoren zijn apparaten op nanoschaal die zijn ontworpen om een ​​bepaald molecuul, biologische component of omgevingsomstandigheden te identificeren. Deze sensoren zijn zeer specifiek, handig, kosteneffectief en detecteren op een veel lager niveau dan hun analogen op macroschaal. Een typische werking van een nanosensor-apparaat bevat drie basiscomponenten:

1. 1.

   Monstervoorbereiding:Het kan een homogene of complexe suspensie van gas, vloeistof of vaste stof zijn. Monstervoorbereiding van agro-ecosysteem is zeer uitdagend vanwege onzuiverheden en interferenties. Het monster bevat specifieke moleculen, functionele groepen van moleculen of organismen, waarop de sensoren zich kunnen richten. Deze gerichte moleculen/organismen staan ​​bekend als de analyt en kunnen moleculen zijn (kleurstoffen/kleuren, giftige stoffen, pesticiden, hormonen, antibiotica, vitamines, enz.), biomoleculen (enzymen, DNA/RNA, allergenen, enz.), ionen (metalen, halogenen, oppervlakteactieve stoffen, enz.), gas/damp (zuurstof, kooldioxide, vluchtige stoffen, waterdampen, enz.), organismen (bacteriën, schimmels, virussen) en omgeving (vochtigheid, temperatuur, licht, pH, weer, enz. )

2. 2.

   Herkenning:Bepaalde moleculen/elementen herkennen de analyten in het monster. Deze herkenningsmoleculen zijn antilichaam, aptamer, chemische legende-enzymen, enz., en hebben een hoge affiniteit, specificiteit en selectieve kenmerken voor hun analyten om ze te kwantificeren tot acceptatieniveaus.

3. 3.

   Signaaltransductie:Bepaalde signaaltransductiemethoden hebben deze bescheiden apparaten onderverdeeld in verschillende typen, zoals optische, elektrochemische, piëzo-elektrische, pyro-elektrische, elektronische en gravimetrische biosensoren. Ze zetten herkenningsgebeurtenissen om in berekenbare signalen die verder worden verwerkt om de gegevens te produceren (Fig. 2).

Schematische weergave die de verschillen tussen traditionele en geavanceerde bewakingstechnologieën benadrukt

Vereenvoudigde weergave die de component van nanosensoren illustreert voor het monitoren van agro-ecosystemen

De nanotechnologische interventies positioneren de stimulans om de verschillende zones van diagnostiek zoals gezondheid, medicatie, voedsel, milieu en de landbouwsector te transformeren, waardoor de speculatieve kenmerken worden omgezet in de praktische output [21,22,23,24, 25,26,27,28]. Nanotechnologie speelt een belangrijke rol bij de vooruitgang van tal van diagnostische methoden door de mensheid te voorzien van moderne hulpmiddelen, bestaande uit sensoren die zijn gebaseerd op biotechnieken, op nano gebaseerde medische faciliteiten, samen met biofotonica die de detectie van pesticiden, medicijnresten, voedsel vereenvoudigt overgedragen pathogene micro-organismen, toxineverontreinigingen en zware metaalionen [24, 29]. Gelukkig omvat de arena van nanotechnologie een begrip dat is gekoppeld aan het besturen van materiaal op atomaire of moleculaire schaal, waar materie onderscheidende eigenschappen en prestaties onthult wanneer het wordt vergeleken met de bulkvorm van vergelijkbare materie [30]. Momenteel is een biosensor van alle benaderingen een bescheiden en compact onderzoeksapparaat dat de mogelijkheid heeft om definitieve systematische gegevens te produceren, hetzij op een kwantitatieve manier, hetzij in een semi-kwantitatieve vorm door gebruik te maken van een herkenningscomponent van biologische oorsprong die is verbonden met een signaaltransformatie-eenheid [31,32,33]. Het type gebruik van de signaaltransductiemethode heeft deze bescheiden apparaten gecategoriseerd in verschillende typen, zoals optische, elektrochemische, piëzo-elektrische, pyro-elektrische, elektronische en gravimetrische biosensoren [34]. De recente ontwikkelingen in nanotechnologie hebben verschillende nieuwe manieren geopend voor het ontwerpen van biosensoren [29, 35]. De hybridisatie van nanomaterialen met verschillende biosensing-daises (nano-biosensoren) biedt een groot aantal samenwerkende en multifunctionele benaderingen voor een verhoogde gevoeligheid voor detectie [36] en verbetert daardoor het vermogen om zelfs een enkel molecuul te monitoren [32, 37 , 38]. De nanoschaal is gedefinieerd als ongeveer 1-100 nm, wat ook overeenkomt met een miljardste deel van een meter. Het kan gemakkelijk worden begrepen door het te vergelijken met de afmetingen van een gemiddelde bacteriecel met een diameter van ongeveer 1000 nm [39]. Het nanomateriaal dat bij detectie wordt gebruikt, wordt een nanosensor genoemd die op atomaire schaal is geconstrueerd voor gegevensverzameling. Het nanomateriaal wordt verder toegewezen aan informatie die kan worden geanalyseerd voor verschillende toepassingen, bijvoorbeeld om verschillende fysische en chemische voortekenen in moeilijk bereikbare gebieden in de gaten te houden, verschillende chemicaliën van biologische oorsprong in verschillende cellulaire organellen te detecteren en deeltjes op nanoschaal te bepalen in het milieu en de industrie [40, 41]. Met nanosensoren kan zelfs de aanwezigheid van een enkel virusdeeltje en in zeer lage concentraties aanwezige stoffen worden opgespoord. Een nanosensor bestaat uit een biogevoelige laag die covalent is bevestigd aan een ander element dat een transducer wordt genoemd. De fysiochemische verandering die wordt veroorzaakt door de interacties van de doelanalyt met de bioreceptor, wordt omgezet in een elektrisch signaal [40].

In de afgelopen jaren zijn veel bio- en nanosensoren met superieure visuele herkenning gebruikt voor de detectie van verschillende composieten uit een breed scala aan monsters. Het assortiment composieten omvat verschillende metaalionen, eiwitten, pesticiden, antibiotica tot de detectie van complete micro-organismen en nucleïnezuuramplificatie en sequencing [19, 33, 42, 43]. Naast het monitoren van het landbouwcontroleproces en residuen, zijn er de afgelopen twee decennia ook andere potentiële toepassingen van nanotechnologie opgedoken [44,45,46,47]. De noodzakelijke voordelen voor het inzetten van nanotechnologie bij de verbetering van de landbouwsector zijn onder meer door nanomaterialen geassisteerde levering van groeibevorderaars [44, 48, 49], voeding (vooral micronutriënten) [49, 50] en genetische modificaties in planten [51, 52 ]. Bovendien zijn er ook verschillende pesticiden in de vorm van nanofungiciden, nanobacteriociden en nano-insecticiden gevonden [50, 53,54,55]. Verder zijn andere voordelen van nanotechnologie onder meer op nanomaterialen gebaseerde sanering [56], nanoherbiciden [57] en gebruik in bioprocessing [58], aquacultuur [59], technologie na de oogst [60], veterinaire zorg [61], visserij [ 62] en zaadtechnologie [63]. Al deze toepassingen samen laten verschillende voordelen zien, zoals verminderde vervuiling (voornamelijk bodem en water), vermindering van gerelateerde kosten van milieubescherming en verbeterde efficiëntie van nutriëntengebruik [45, 46, 50, 56, 64,65,66,67,68] ( Afb. 3). Gezien de bovengenoemde feiten, richt de huidige beoordeling zich op het gebruik van verschillende soorten nanosensoren in verschillende agro-ecosystemen voor het onthullen van verschillende componenten, samen met de detectie van enkele vreemde componenten die de natuurlijke agro-ecosystemen binnendringen.

Diverse toepassingen van nanotechnologie in de landbouwsector

Nanosensoren voor detectie van pesticiden

Pesticiden vinden brede toepassingen in landbouwsystemen voor het vermijden, reguleren of uitroeien van plagen, insecten, onkruid en schimmels om de productiviteit van agro-ecosystemen te verhogen [69]. Het gebruik van pesticiden neemt voortdurend toe en ze kunnen bijna een derde van de wereldwijde landbouwproducten veiligstellen [70]. Het willekeurige gebruik van pesticiden onder veldomstandigheden heeft echter het grondwater verontreinigd en hun accumulatie in de voedselbronnen gemarkeerd, waardoor ook niet-doelsoorten zoals mensen en dieren ernstig zijn aangetast (Fig. 4). De blootstelling van mensen aan pesticiden kan de gezondheid op verschillende manieren beïnvloeden en de daarmee gepaard gaande gezondheidseffecten kunnen variëren van mutageniteit, neurotoxiciteit, kankerverwekkendheid tot genotoxiciteit [71, 72]. Sommige pesticiden, zoals organofosfaten, hopen zich op in de lichamen van dieren, zelfs als ze in een kleine concentratie worden aangebracht en blootstelling aan hogere concentraties leidt tot de remming van enzymen zoals acetylcholinesterase die ernstige gezondheidsrisico's voor de mens met zich meebrengen [73]. Om de voedselveiligheid te garanderen, is de ontwikkeling van superieure methoden voor het opsporen van residuen van bestrijdingsmiddelen daarom erg belangrijk.

Nadelige effecten van pesticiden op de menselijke gezondheid

Hoewel er al heel lang verschillende benaderingen worden gebruikt voor de detectie van residuen van pesticiden, zoals high-performance vloeistofchromatografie, colorimetrische testen, enzymgekoppelde immuunsorbenstest, vloeistof-/gaschromatografie-massaspectrometrie, elektroforese en fluormetrische testprocedures [8] , 74,75,76,77,78,79]. Desalniettemin zijn de meeste van deze technieken enkelsignaal-assays die dure apparatuur, professionele operators en complexe voorbehandeling van de monsters vereisen, terwijl sommige zelfs gevoelig zijn voor variaties in de omgevingsomstandigheden [80, 81]. Dergelijke detectiemaatregelen zijn daarom niet geschikt voor de detectie van residuele bestrijdingsmiddelen ter plaatse. Bovendien zijn ze ook niet geschikt bevonden voor real-time detectie, wat het gebruik ervan in noodgevallen beperkt [82]. Dientengevolge verbeteren detectiemethoden die meerdere signalen gebruiken de betrouwbaarheid en het gemak van de analyse. Methoden die bijvoorbeeld gericht zijn op een combinatie van een multi-signaal fluorimetrische methode met colorimetrische testen, zijn in staat om de invloed van achtergrond in veelzijdige structuren te omzeilen en de waarneming met het blote oog aan te vullen in verschillende praktische toepassingen [83]. Daarom heeft het concentreren van meer inspanning bij het evalueren van verschillende benaderingen voor de detectie van pesticiden op een snelle, simplistische, selectieve, delicate, nauwkeurige en begrijpelijke manier geleid tot de ontwikkeling van optische sensoren voor het detecteren van residuen van pesticiden [80].

Er zijn al talrijke optische strategieën erkend voor de detectie van pesticiden waarbij gebruik werd gemaakt van herkenningselementen zoals enzymen, antilichamen, moleculair ingeprinte polymeren, aptameren en gastheer-gastherkenners. Dergelijke benaderingen kunnen het specifieke pesticidedeeltje standvastig herkennen en detecteren [81, 84,85,86,87,88]. Bovendien resulteert de koppeling van herkenningscomponenten met de nanomaterialen in hogere niveaus van gevoeligheid en enorme specificiteit voor onmiddellijke inzet, wat een hoofdvereiste is voor snelle en effectieve detectie van pesticiden [82]. Dus de zoektocht naar een snelle, gevoelige, specifieke, nauwkeurige en eenvoudig te bedienen methode voor het detecteren van resterende pesticiden heeft geresulteerd in de inzet van nanosensoren als een uitstekende vervanging voor conventionele methoden vanwege hun kosteneffectiviteit, compactheid, gemak van transport, buitengewone gevoeligheid en een kortere detectietijd [89] (Fig. 1).

Over het algemeen bestaat een optische sensor uit een herkenningselement dat specifiek is voor het specifieke resterende pesticidedeeltje en kan netwerken met het andere bestanddeel, de transducer, die wordt gebruikt om het signaal te produceren voor de binding van een bepaald pesticideresidu aan de sensor . De herkenningscomponenten die bestaan ​​uit enzymen, antilichamen, moleculair ingeprinte polymeren, aptameren en gast-gastherkenners, grijpen de aandacht van de wetenschappelijke gemeenschap voor het verbeteren van de diagnostische prestaties van elke sensor. De heersende diepgewortelde optische sondes kunnen worden onderverdeeld in vier typen op basis van signaaluitvoerformaten. Dit zijn fluorescentie (FL), colorimetrische (CL), oppervlakteversterkte Raman-verstrooiing (SERS) en optische oppervlakteplasmonresonantie (SPR) optische sensoren [90].

Een ander soort nanosensoren dat algemeen bekend is, zijn immunochromatografische strip (ICTS) nanosensoren die algemeen erkend zijn in point-of-care analytische apparaten [91]. De immunochromatografische testen zijn ook gerapporteerd vanwege hun betrokkenheid bij het monitoren van agro-ecosystemen vanwege hun point-of-care-testgedrag. Zo werd een zichtbare colorimetrische uitleesstrategie aangenomen in de gerapporteerde immunochromatografische test voor de detectie van gg-gewassen, die alleen een ja/nee-respons gaf en vaak leed aan onvoldoende gevoeligheid [92,93,94]. Evenzo is gemeld dat de op gouden nanodeeltjes gebaseerde ICTS-sensoren een lage detectiegevoeligheid hebben, vanwege de productie van een relatief zwakkere kleurdichtheid, wat hun toepassing beperkt [95, 96]. Hun gevoeligheid kan echter worden verbeterd door verschillende voorgestelde amplificatiestrategieën, zoals het vergroten van de detectiesignaalintensiteit, het verbeteren van de affiniteit van het reagens, het optimaliseren van de labelingstechnieken en het wijzigen van de vormen van stripapparaten [96]. Daarom kunnen de verbeterde ICTS-nanosensoren ook een economisch levensvatbaar hulpmiddel blijken te zijn voor de detectie van residuen van pesticiden in agro-ecosystemen.

De samensmelting van nanotechnologie met verschillende elektrochemische benaderingen brengt een superieur operationeel oppervlak voor de sensor in gevaar, samen met een behoorlijke controle van de micro-omgeving van de elektrode. Nanodeeltjes hebben uiteenlopende en talrijke eigenschappen te danken en hebben daardoor het potentieel om meerdere doelen te spelen in de detectiestructuren die zijn gebaseerd op elektrochemische verschijnselen, bijvoorbeeld door de elektrochemische reacties te katalyseren, de overdracht van elektronen te verbeteren, te taggen en als reactant te presteren [97]. Daarom lijken elektrochemische nanosensoren een effectief hulpmiddel voor de detectie van pesticiden. Onlangs verschenen elektrochemische biosensoren die voornamelijk gebaseerd waren op het enzym cholinesterase als gunstige apparaten bedoeld voor het detecteren van resterende pesticidedeeltjes die vooral behoren tot de klasse van carbamaten en organofosfaten die kunnen worden toegeschreven aan hun grote opmerkzaamheid, kieskeurigheid en pijnloze creatiemethoden [98, 99]. Desalniettemin ondergaan op enzymen gebaseerde biosensoren nogal wat beperkingen, waaronder een hoge prijs, verminderde activiteit van het enzym en ingekorte reproduceerbaarheid [100]. Bovendien lijken enzymen inherent onstabiel te zijn en zijn ze ook onderhevig aan denaturatie in vijandige omgevingsomstandigheden, wat de levensduur van biosensoren beperkt en daarmee hun praktische toepassingen beperkt [101]. Bovendien kan een manifestatie van verschillende onzuiverheden, zoals het voorkomen van verschillende zware metalen in de monsters van biologische oorsprong, ook de selectiviteit en de gevoeligheid van het enzym tijdens de detectie verstoren, wat vals-positieve resultaten kan opleveren [102]. Daarom veroorzaakt het de behoefte aan niet-enzymatische elektrochemische biosensoren. Nanomaterialen lijken veelbelovende kandidaten voor het formuleren van niet-enzymatische elektrochemische sensoren [103]. Verschillende categorieën nanomaterialen die nanodeeltjes bevatten (bijv. CuO, CuO–TiO₂ , en ZrO₂ , NiO), nanocomposieten (zoals molybdeen-nanocomposiet) en nanobuisjes (bijv. peptide- en koolstofnanobuisjes) blijken op grote schaal betrokken te zijn bij het elektrochemisch bepalen van de resterende pesticidedeeltjes [104,105,106]. Het expliciete en diepgaande onderzoek van de resterende pesticidedeeltjes door dergelijke nanomaterialen is toe te schrijven aan hun extreem kleine formaat, grotere oppervlakte en het bezit van onnavolgbare elektrische en chemische eigenschappen [70].

De gevoeligheid, evenals selectiviteit van verschillende nanosensoren voor bepaalde pesticiden, is gerapporteerd in verschillende onderzoeken (tabel 1). Zo bleken de twee verschillende optische sensoren gebaseerd op zilveren nanodendrieten en upconverting nanodeeltjes de pesticiden dimethoaat en metribuzine te detecteren op de niveaus van 0,002 ppm en 6,8 × 10 ⁻⁸ M, respectievelijk [107, 108]. Evenzo detecteerde de elektrochemische nanosensor geaard met behulp van CuO-nanodeeltjes versierd met 3D-grafeen-nanocomposiet malathion op het niveau van 0,01 nM [109] terwijl de elektrochemische aptasensor vervaardigd door chitosan-ijzeroxide nanocomposiet malathion detecteerde met een verrassende gevoeligheid van 0,001 ng / ml [110] .

Nanosensoren voor detectie van zware metalen

Het bestaan ​​van diverse zware metaalionen zoals Pb ²⁺ , Hg ²⁺ , Ag ⁺ , Cd ²⁺ , en Cu ²⁺ uit verschillende bronnen heeft een precaire invloed op zowel de mens als zijn omgeving. De aanwas van zware metalen in verschillende omgevingen wordt ondersteund door de ononderbroken toename van de landbouw- en industriële prestaties, samen met de ontoereikende lozing van zware metaalionen uit afvalwater en huishoudelijke emissies [111]. Daarom, om de veiligheid van het milieu samen met de gezondheidsanalyse te verzekeren, is het opsporen van de sporen van zware metaalionen door middel van bekwame praktijken uiterst gewenst. De aanhouding van zware metalen kan worden bereikt door verschillende analytische systemen [112] te onderzoeken, bijvoorbeeld röntgenfluorescentiespectrometrie (XRF), atomaire absorptiespectrometrie (AAS), atomaire emissiespectrometrie (AES) en inductief gekoppelde plasma-massaspectrometrie ( ICP-MS), maar hun toepassing heeft veel beperkingen, zoals een overvloed aan apparaten, tijdrovende methoden en arbeidsintensief. Daarom zijn, om deze beperkingen te leiden, talrijke soorten optische, elektrochemische en colorimetrische listen uitgebreid onder de loep genomen (tabel 2) om bescheiden en lucratieve verhogingen te bedenken voor het vatten van delicate, haastige en veeleisende verkenning van zware metaalionen [113, 114].

Optische chemische sensoren die vaak het doelwit zijn voor detectie van zware metalen, passen in een cluster van chemische sensoren die voornamelijk elektromagnetische straling gebruiken om een ​​diagnostisch signaal te genereren in een element dat bekend staat als het transductie-element. De interacties tussen het monster en de straling veranderen een specifieke optische overweging die kan worden gerelateerd aan de concentratie van een analyt [115, 116]. De optische nanosensor, gesynthetiseerd met behulp van nanohybride CdSe-kwantumdots voor de detectie van cadmium, herstelde bijvoorbeeld zijn groene fotoluminescentie op de sensatie van cadmiummetaal [117]. De optische chemische sensoren werken volgens het principe van schijnvariaties in de optische bezittingen (emissie, absorptie, transmissie, levensduur, etc.) die verschijnen als gevolg van binding van de gearresteerde indicator (organische kleurstof) met de analyt [118]. De benadering van verleidelijke op grafeen gebaseerde nanotechnologie begint als een toewijsbaar hulpmiddel dat dergelijke uitdagingen uitschakelt en het detectieplatform nalaat met verbeterde prestaties. De optische technieken die voornamelijk gebaseerd zijn op nanomaterialen van grafeen-oorsprong zijn de laatste tijd naar voren geschoven als een van de opwindende praktijken voor het detecteren van zware metaalionen vanwege de waarschijnlijke verhevenheid van hun zachtmoedige constructie en bewuste waardering van enkele onderscheidende metaalionen [116].

De nobele nanodeeltjes zoals Ag, Au, Pd zijn begiftigd met een unieke eigenschap om peroxidase-activiteit na te bootsen, en hun congregatie met grafeen verhoogt hun stevigheid samen met superieure katalytische prestaties. Er is een diversiteit aan sensoren die zich bezighouden met de detectie van talrijke zware metaalionen op basis van deze functie. De hybridisatie van grafeenoxide met zilveren nanodeeltjes resulteerde in nanohybriden die de peroxidase-enzymactiviteit nabootsten en ze bleken verder in staat te zijn om onderscheid te maken tussen dubbelstrengs en enkelstrengs DNA-moleculen. Daarom is het maken van de calorimetrische detectie van Pb ²⁺ en Hg ²⁺ geschikt op basis van de door metaalionen veroorzaakte verandering in de DNA-conformatie omdat de conformatie bij hun optreden was veranderd in een quadruplex-opstelling of een haarspeldachtige assemblage [119, 120]. Bovendien zijn dergelijke colorimetrische benaderingen voordelig vanwege hun eenvoudige bediening, economisch haalbare, transporteerbare instrumentatie en gebruiksvriendelijke toepassingen. De chemosensoren voor het detecteren van zware metalen blijken lastig te zijn voor de eliminatie van de beoogde soorten, omdat ze secundaire vervuiling zouden veroorzaken. Daarom lijkt de integratie van fluorescerende en magnetische functionaliteit samen in een enkel nanocomposietdeeltje een geschikt alternatief [121]. Desalniettemin dooft de manifestatie van de magnetische nanodeeltjes de fotoluminescentie van de fluorescerende groep sterk uit, en vormt zo een stevige uitdaging voor de ontwikkeling van dergelijke soorten nanocomposieten. Om deze zorg te sturen, worden daarom tal van interacties die plaatsvinden op moleculair niveau, zoals hydrofobe en elektrostatische interacties, waterstofbinding en covalente binding, vaak het doelwit van nanocomposietsynthese. Bijvoorbeeld de kwantumstippen die op het ondiepe van met polymeer gelaagde Fe₂ O₃ bolletjes door gebruik te maken van de benaderingen van de thiolchemie. De gouden nanodeeltjes die zijn gearresteerd op het oppervlak van verschillende materialen, waaronder Fe₂ O₃ nanodeeltjes en de silica-microsferen die gebruik maken van elektrostatische verbindingen zijn ook gesynthetiseerd [122, 123].

De benadering van het synthetiseren van multimodale nanosensoren met behulp van principes van nanochemie is aantrekkelijker omdat het niet alleen de zware metaalionen in de waterige media efficiënt detecteert, maar ook verwijdert. De multimodale nanosensor gesynthetiseerd door Satapathi et al. [124] door middel van meerstapsproductie, een dunne silica-omhulling met zich meebracht die de magnetische (Fe₂ O₃ ) nanodeeltjes, een onbeweeglijke spacer-arm en een fluorescerende kwantumstip bedoeld voor de samenvallende herkenning en de eliminatie van het gevlekte kwik-ion. De uitzonderlijke gevoeligheid van deze nanosensor kan worden gekenmerkt door zijn vermogen om Hg ²⁺ te detecteren op nanomolair niveau met een detectielimiet van slechts 1 nm. Het milieuvriendelijke aspect van nanosensor kan worden bepleit door het unieke kenmerk van het verwijderen van de gedetecteerde analyt door een externe staafmagneet te gebruiken, waardoor er geen restanten als verontreinigende stof achterblijven. Verschillende verbindingen worden gebruikt voor het stabiliseren van nanosensoren, zoals polysacharidencitraten, verschillende polymeren en eiwitten om de eigenschappen van de nanosensoren te verbeteren [125]. De zilveren nanodeeltjes die zijn gestabiliseerd met epicatechine kunnen worden gebruikt voor de onderscheidende detectie van Pb ²⁺ , dat ook bij het optreden van verschillende snuffelende metaalionen. De lage detectielimiet, gemakkelijke synthese, bewonderenswaardig onderscheidingsvermogen en economische productie maken ECAgNP's tot een krachtige sensor die bestemd is voor herhaalde controle van Pb ²⁺ intensiteiten in de ecologische modellen [126]. Het gebruik van kwantumdots biedt opmerkelijke voordelen in termen van hun fotofysische en chemische eigenschappen, waardoor fluorescente op kwantumdots gebaseerde sensoren een efficiënt hulpmiddel worden voor het detecteren van talrijke metaalionen [127, 128]. Het grootste nadeel van het gebruik van kwantumdots is echter hun scheiding en herstel in praktische toepassingen, wat een buitensporige, arbeidsintensieve en vervelende taak is. Niettemin is de introductie van magnetische nanomaterialen (Fe₃ O₄ ) in de op kwantumdot gebaseerde fluorescentiesensoren lost dit probleem op en biedt verschillende extra voordelen vanwege hun hoge specifieke oppervlak, speciale magnetische eigenschappen, magnetische werking en lage toxiciteit. Yang et al. [128] stelde multifunctionele magnetisch-fluorescerende nanodeeltjes vast op basis van het carboxymethylchitosan vermengd met fluorescerende kwantumdots en magnetische nanomaterialen die Hg ²⁺ konden detecteren en scheiden tegelijkertijd samen met een detectieniveau van 9,1 × 10 ⁻⁸ mol/L. De pretentieloze en verfijnde methodologie van nanotechnologie biedt dus een richting met betrekking tot veldgebaseerde sensorische apparaten voor zware metalen in de toekomst, wat nu een moeilijke taak lijkt te zijn, samen met verschillende beperkingen.

Nanosensors for Detecting Plant Pathogens

The ascertainment, recognition, and assessment of pathogens are vital for scientific elucidation, ecological surveillance, and governing food security. It is imperative for investigative outfits that the delicate element of biological origin, which is a constituent of biological provenance or biomimetic constituent, interacts with the analyte in the examination. There are numerous profound, trustworthy, and swift recognition components, for instance, lectin, phage, aptamers, antibody, bacterial imprint, or cell receptor, which have been described for exposure of bacteria [129]. The most widely used biosensing components for analyzing pathogens are bacterial receptors, antibodies, and lectins. These constituents find wide applications as biosensing components to scrutinize pathogens owing to their adaptability of amalgamation into biosensors [130, 131]. Aptamers, the nucleic acids having only a single strand, are economically feasible and chemically steady, as compared to the recognition elements which are based on the antibodies for detecting bacteria [132]. However, they also pose various disadvantages like batch-to-batch variations, sturdiness in complex materials and they are also comparatively complex to prepare. The approach pointing to ‘chemical nose’ is a recently established equipment for detecting pathogens. It appoints multifarious discriminatory receptors that generate a unique response configuration for every objective, thus permitting their ordering. It functions in a fashion analogous to the working of our intellect of smelling something [133]. This technique involves the training of sensors with competent bacterial samples to establish a reference database. The identification of bacterial pathogens is done by equating them with the reference catalog [134]. Usually, nanoparticle-centered “chemical nose” biosensors necessitate the amendment of the surface of the nanoparticle with several ligands where an individual ligand is liable for a distinctive communication with the objective [133]. The variance in the size, as well as the external make-up of the nanoparticles, is selected in a way that every single set of particles can retort to different classes of bacteria in an inimitable way thereby offers supplementary features to the absorption spectrum.

The addition of nanoparticles to the bacteria leads to the development of aggregates encompassing the bacteria as a result of electrostatic interfaces amid the anionic sections of the bacterial cell walls and cationic cetyltrimethylammonium bromide (CTBr). This process of aggregation promotes a change of color induced by a swing in localized surface plasmon resonance. The color variation is further denoted by procuring an absorption spectrum in the existence of several bacteria [135, 136]. The components of the bacterial cell wall which are responsible for this kind of aggregation are teichoic acids in Gram-positive and lipopolysaccharides and phospholipids in Gram-negative bacteria [137]. These aggregation patterns are unique and are motivated by the occurrence of extracellular polymeric substances on the bacterial surface. These varying aggregation patterns are accountable for offering discernable colorimetric responses. Therefore the “chemical nose” established on nanoparticles could be accomplished to sense blends of varying bacterial species. During infections the “chemical nose” is potent enough to differentiate amid polymicrobial and monomicrobial cases, which facilitates superior effectiveness along with prompting antimicrobial therapy, precluding the requirement of extensive and prolonged testing of the sample [133]. The multichannel nanosensors are highly sensitive and can detect bacterial species even strains present in biofilms within minutes. Li et al. [138] established a multichannel sensor based on gold nanoparticles (AuNPs) and used it to spot and recognize biofilms based on their physicochemical attributes. The sensitivity of the nanosensor can be well advocated by its ability to discriminate amongst six biofilms. Another sensor which was designed based on hydrophobically employed gold nanoparticles by Phillips et al. [139] rapidly recognized three different strains of E. coli . The conjugated polymers bearing negative charge in the sensor systems were eventually replaced by the pathogenic cells which differentially restored the polymer fluorescence.

Nanotechnology offers novel prospects for redefining the constraints of human discernment. In the course of evolution, the olfactory system of human beings has got the unique ability to detect volatile organic compounds present at tremendously low concentrations in different complex environments [140]. The great sensitivity and flexibility of human beings to differentiate more than a trillion olfactory stimuli marks olfaction as an encouraging dais for different biotechnological applications [141, 142]. Various effective sensors that primarily function based on olfaction have been proposed for unveiling bacteria. The system of such nanosensors is mainly encompassed of three different constituents:1) surface-functionalized nanoparticles, 2) pro-smell fragments, and 3) enzymes that slice the pro-fragrances for generating the olfactory output. The fine-tuning of these three components offer a delicate sensory system, which allows the rapid detection of bacteria at levels as low as 10 ²  CFU/ML [143]. The introduction of magnetic nanoparticles also enables the separation, purification, and recognition of pathogens under complex environments. The nanomaterial-grounded, ‘enzyme nose’ nanosensor is also a convenient investigative method meant for detecting toxicologically significant targets present in natural samples. Sun et al. [134]designed a unique enzyme nanosensor, which was grounded on the non-covalent centers, for detecting pathogens. The employment of magnetic nanoparticles–urease sensors permitted the profound recognition of bacteria with a precision of 90.7% at the concentration of 10 ²  CFU/LL in a very small time of 30 min. Similarly, various other different types of optical, electrochemical, and immunosensors have also been developed for detecting diverse plant pathogenic microorganisms (Table 3). For instance, the optic particle plasmon resonance immunosensor synthesized using gold nanorods effectively detected Cymbidium mosaic virus  (CymMV) or Odontoglossum ringspot virus  at the concentrations of 48 and 42 pg/mL (Lin et al. 2014) whereas the Fe₃ O₄ /SiO₂ based immunosensor revealed the presence of Tomato ringspot virus , Bean pod mottle virus  and Arabis mosaic virus  at the concentrations of 10 ⁻⁴  mg/mL [144]. Therefore, directing the performance of approachable nanomaterials at the molecular scale can be exploited to revise the annotations of humans regarding their environments in a fashion that seems otherwise unmanageable.

Nanosensors for Detection of Other Entities

Amino acids are very crucial molecules required by the living systems as they play a pivotal role of building blocks in the process of protein synthesis [145], vital character for maintenance of redox environments in the cell and extenuating destruction from the toxin and free radicals [146]. The investigative methods for detecting amino acids have been reported, especially by chromatography, chemiluminescence, and electrochemistry [147]. However, the application of existing technologies is greatly restricted by the great expenses and time-consuming steps. Currently, nanomolecular sensors have been established for detecting such molecules owing to their chemical steadiness, bio-compatibility, and easy surface alteration [148, 149]. The employment of gold nanoparticles for biosensing solicitations has been reported in different biological environments. The amine side chain and sulfhydryl (thiol) group of amino acids may perhaps covalently bind with the gold nanoparticles, thereby inducing an accretion of these nanostructures which further results in a color alteration from red to blue on the aggregation of amino thiol molecules [150, 151]. Chaicham et al. [147] developed an optical nanosensor grounded on gold nanoparticles that could detect Cys and Lys at concentrations of 5.88 μM and 16.14 μM, respectively, along with an adequate percentage retrieval of 101–106 in actual samples.

Similarly, other metal ions that are required by living organisms for performing various metabolic functions can be detected by employing different nanosensors. A dual-emission fluorescent probe was developed by Lu et al. [152] for detecting Cu ²⁺ ions by condensing hydrophobic carbon dots in micelles molded by the auto-assemblage of different amphiphilic polymers. A vigorous, self-accelerating, and magnetic electrochemiluminescence nanosensor which was established on the multi-functionalized CoFe₂ O₄ MNPs was established for the foremost and later employed for the extremely sensitive as well as discriminating recognition of the target Cu ²⁺ through click reaction in a quasi-homogeneous system [82]. Gold nanorods are also exploited for sensing Fe (III) ions. Thatai et al. [17] devised highly sensitive gold nanorods using cetyltrimethylammonium bromide as illustrative material for detecting ferric ions along with a surprising sensing level equivalent to 100 ppb. Zinc is another important element, and it occurs in a divalent cationic form as Zn ²⁺ ions. Zn ²⁺ ion has the capability of sustaining important activities counting synthesis of DNA and protein, RNA transcription, cell apoptosis, and metalloenzyme regulation [153, 154]. Usually, fluorescent probes are exploited for detecting the Zn ²⁺ ions in biological systems. The pyridoxal-5′-phosphate (PLP) conjugated lysozyme cocooned gold nanoclusters (Lyso-AuNCs) can also be exploited for the selective and turn-on detection of divalent Zn ²⁺ ions in the liquid environment. The yellow fluorescence of PLP Lyso-AuNCs displays noteworthy augmentation at 475 nm in the occurrence of Zn ²⁺ generating bluish-green fluorescence which is accredited to the complexation-induced accretion of nanoclusters. The developed nanoprobe can detect Zn ²⁺ ions in nanomolar concentrations (39.2 nM) [154]. The dual-emission carbon dots (DCDs) synthesized by Wang et al. [155] can also be exploited for revealing Zn ²⁺ ions as well as iron ions (Fe ³⁺ ) in different pH environments. The ferric ions could also be detected in an acidic environment along with an amazing sensation level equaling 0.8 µmol/L while Zn ²⁺ ions could be detected in an alkaline environment along with a detection limit of 1.2 µmol/L.

These days groundwater is used for irrigation and it is also the solitary seedbed of potable water in numerous regions, exclusively in the isolated agronomic sections. The capricious expulsion of numerous contaminants into the environment has expressively deteriorated the eminence of groundwater, thus has significantly threatened environmental safety [156, 157]. Although there are numerous micropollutants, however, the rushing of fluoride in groundwater has stretched out accumulative civic consideration as a result of the grave fluorosis, severe abdominal and renal complications persuaded by the elevated intake of fluoride ion [158]. So, there is a quest to diagnose and unveil hardness as well as the presence of fluoride ions in the ground-water which has expected substantial considerations owing to their significant parts in the different ecological, biological, and chemical processes [157]. Although fluorescent probes which are considered as traditional methods, can be exploited for detecting F ⁻ , however, the employment of quantum dots, an inorganic nanomaterial, can grab extensive considerations on account of their distinctive optical possessions comprising size-oriented fluorescence, tapered and coherent emission peak with a wide exciting wavelength, and outstanding photo solidity [159, 160]. The creation of a fluorescence resonance energy transmission channel from the carbon dots and the gold nanoparticles appears to be a competent solution for detecting numerous analytes. Therefore, constructing a novel nanosensor via gold nanoparticles and carbon dots for detecting F ⁻ seems to be a proficient strategy. The hybrid nanosensor assorted with calcium ions has been reported to spot fluoride ions along with a subordinate recognition level parallel to 0.339 ppm [103]. Lu et al. [161] also developed another novel strategy for detecting fluoride, which was grounded on dual ligands coated with perovskite quantum dots, and the recognition level was found to be 3.2 μM.

The agricultural systems also necessitate the diagnosis of various other entities for the smooth functioning and enhanced productivity of the agroecosystems. The detection of other miscellaneous entities has also been facilitated by the employment of nanosensors (Table 3), for instance, the detection of transgenic plants, the presence of aflatoxins, and even the occurrence of wounds in plants. The SPR nanosensor developed using gold nanoparticles detected the Aflatoxin B1 at the concentration of 1.04 pg mL ⁻¹ [162] whereas the SERS-barcoded nanosensor fabricated using the encapsulation of gold nanoparticles with silica followed by the conjugation of oligonucleotide strands effectively detected the presence of Bacillus thuringiensis  (Bt) gene-encoded insecticidal proteins in rice plants at 0.1 pg/mL, thereby, clearly advocating the transgenic nature of rice plants [163].

Nanosensors for Detection of Nanoparticles

Nanomaterials can also occur naturally, such as humic acids and clay minerals; extensive human activities can also lead to the incidental synthesis of various nanomaterials in the environment, for instance, diesel oil emanations or by the discharge of welding fumes; or they can also be explicitly concocted to unveil matchless electrical, optical, chemical or physical features [164]. These characteristics are exploited in plenty of consumable merchandise, for instance, medicines, food, cosmetics and suntan lotions, paints, and electronics, as well as processes that directly discharge nanomaterials into the surroundings, such as remediating contaminated environs [165, 166]. Furthermore, the rapid employment of metal nanoparticles in various systems has raised many concerns due to the potential environmental risks posed by them as they are unavoidably lost in the environment throughout the processes meant for their fabrication, conveyance, usage, and dumping [167]. Carbon-based nanomaterials are quite established against degradation and as a result, amass in the surroundings [168]. Nanoparticles, attributable to their greater surface area, find it much easier to bind and adsorb on the cellular surfaces. They harm the cell in several ways, such as, by hindering the protein transport pathway on the membrane, by destroying the permeability of the cell membrane, or by further inhibiting core components of the cell [169]. Currently, an overwhelming figure of the engineered nanoparticles engaged for different ecological and industrial solicitations or molded as by-products of different human deeds are ultimately discharged into soil systems. The usual nanoparticles employed comprise the metal engineered nanoparticles (elemental Fe, Au, Ag, etc.), metal oxides (SiO₂ , ZnO, FeO₂ , TiO₂ , CuO, Al₂ O₃ , etc.), composite compounds (Co–Zn–Fe oxide), fullerenes (grouping Buckminster fullerenes, nanocones, carbon nanotubes, etc.), quantum dots frequently encrusted with a polymer and other organic polymers (Dinesh et al. 2012). Different plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) like Bacillus subtilis , Pseudomonas aeruginosa , P. fluorescens,  and P. putida , and different bacteria involved in soil nitrogen transformations are inhibited to varying degrees on exposure to nanoparticles in aqueous suspensions or pure culture conditions [170]. The nanoparticles grounded on metals copper and iron are alleged to interact with the peroxides existing in the environs thereby engender free radicals that are notorious for their high toxicity to microbes [171]. Therefore, there is a strong need to monitor the different nanoparticles which find an ultimate sink in the soils especially of agroecosystems.

Various techniques can be reconnoitered for sensing nanoparticles, one among them is the usage of microcavity sensors, which, in the form of whispering gallery resonators have acknowledged extensive consideration. Here, the particle binding on the exterior of the microcavity disturbs the optical possessions thereby instigating a resonant wavelength swing with magnitude reliant upon the polarizability of the particle. The measure of the change facilitates surveillance of the binding actions in real-time and is also used to evaluate the particle size [172]. Optical sensing empowered with the extreme sensitivity of single nanoscale entities is sturdily anticipated for solicitations in numerous arenas, for instance, in environmental checking, other than in homeland security. Split-mode microcavity Raman lasers are also highly sensitive optical sensors that can perceive the occurrence of even a single nanoparticle. The presence of nanoparticles is revealed by observing the distinct alterations in the beat frequency of the Raman lasers and the sensing level has been reported to be 20 nm radius of the nanoparticles [138].

Nanotechnology Implementation in an Agroecosystem:Proof-of-Concept to Commercialization

There are hundreds of research articles and studies that are being published every year on nanosensor's application in agriculture. However, very few nanosensors have yet been commercialized for the detection of heavy metals, pesticides, plant-pathogen, and other substances in an agroecosystem. Because these academic outputs are not properly converted/conveyed to commercial or other regulatory platforms. Certain scientific and non-scientific factors hinder these nanosensors from proof-of-concept to fully commercialized products. These factors are scale-up and real-use (technical), validation and compliances (regulatory), management priorities and decisions (political), standardization (legal), cost, demand and IPR protection (economic), safety and security (environmental health and safety) along with several ethical issues. It is necessary to support enthusiastic researchers and institutions for research and development to develop such nanosensors for agroecosystem, product validation, intellectual protection, and their social understanding and implementation. If we consider these factors strategically, it will help in nanosensor product betterment and implementation to agroecosystem. The US-based startup Razzberry developed portable chemical nanosensors to trace real-time chemical changes in water, soil, and the environment. Similarly, Italian startup Nasys invented a metal oxides-based nanosensor to detect air pollution. There are some other startups nGageIT and Tracense, implementing nanosensor technologies to detect biological and Hazardous contaminants in agriculture.

Perspectives and Conclusions

Since times immemorial, agriculture is the main source of food, income as well as employment for mankind around the globe. In the present era, due to upsurge of rapid urbanization and climate inconsistency, precision farming has been flocking significant attention worldwide. In agricultural system, this type of farming has the ability to maximize the crop’s productivity and improve soil quality along with the minimization of the agrochemicals input (such as fertilizers, herbicides, pesticides, etc.). Precision farming is possible through focused monitoring of environmental variables along with the application of the directed action. This type of farming system also employs computers, global satellite positioning systems, sensors, and remote sensing strategies. As a result, the monitoring of extremely confined environmental situations becomes easy. This monitoring even assists in defining the growth of crop plants by accurately ascertaining the nature and site of hitches. Eventually, it also employs smart sensors for providing exact data that grant enriched productivity by serving farmers to make recovery choices in a detailed manner. Among all the sensors, smart nanosensors are very sensitive and judiciously employed devices that have started proving to be an essential tool for advocating agricultural sustainability, in future.

It has been noticed that the use of nanosensors and or biosensors can accelerate agricultural productivity. These real-time sensors can physically monitor temperature, soil health, soil moisture content and even senses the soil microbiological/microenvironment and nutrient status of soils. Interestingly, these sensors have also been able to detect residual pesticides, heavy metals, monitor plant pathogens and quantify fertilizers and toxins. These nanosensors facilitate speedy, quick, reliable, and prior information that even aid in predicting as well as mitigating the crop losses in the agroecosystems. In addition, the use of nanotechnology-based biosensors also assists in accomplishing the concept of sustainable agriculture. It has been observed that the projection of nanosensors and or biosensors as plant diagnostic tools requires improvements regarding their sensitivity and specificity. Additionally, there is a need for quick, reliable, cheap, multiplexed screening to detect a wide range of plant-based bioproducts. Moreover, the development of broad-spectrum nanosensors that can detect multiple entities will also boost in mobilizing technology. It has been suggested that the biosensor efficiency can be improved further by developing super “novel nanomaterials” that will be available in near future. Perhaps in the coming years, the convergence among nanotechnology, agriculture sciences, rhizosphere engineering, and overall plant engineering will lead to the path towards accomplishment of all Sustainable Development Goals 2030 without incurring any fitness cost on mankind safety, economy, natural resources, and environment.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Not applicable.

Abbreviations

AAS:

Atomic absorption spectrometry

AES:

Atomic emission spectrometry

Ag:

Silver

Al₂ O₃ :

Aluminum oxide

Au:

Gold

CdSe:

Cadmium selenide

CL:

Colorimetric

CoFe₂ O₄ :

Cobalt iron oxide

CTBr:

Cationic cetyltrimethylammonium bromide

CuO:

Cupric oxide

DCDs:

Sual-emission carbon dots

FeO₂ :

Iron dioxide

FL:

Fluorescence

ICP-MS:

Inductively coupled plasma mass spectrometry

ICTS:

Immunochromatographic strip

NiO:

Nickel oxide

Pd:

Palladium

PGPR:

Plant growth-promoting rhizobacteria

SERS:

Surface-enhanced Raman scattering

SiO₂ :

Silicon dioxide

SPR:

Surface plasmon resonance

TiO₂ :

Titanium dioxide

XRF:

X-ray fluorescence spectrometry

ZnO:

Zinc oxide

ZrO₂ :

Zirconium dioxide