Обзор применения биосенсоров и наносенсоров в агроэкосистемах

Введение

Последние несколько десятилетий стали свидетелями множества проблем, таких как постоянная демографическая напряженность, непрекращающиеся колебания климатических условий, а также повышенные ставки на ресурсы, которые представляют собой вопиющую угрозу и, таким образом, спровоцировали острую потребность в обеспечении глобальной продовольственной безопасности. Существующие методы ведения сельского хозяйства для удовлетворения пищевых потребностей включают неконтролируемое использование ресурсов, сложную технику, а также увеличивающееся и неизбирательное использование агрохимикатов. Эти методы привели к значительному ухудшению состояния почвы, воздуха и водных ресурсов, тем самым резко повысив уровень загрязнения сельскохозяйственной среды, что, в свою очередь, сильно повлияло на здоровье людей / животных. Степень воздействия на здоровье использования пестицидов можно оценить на основе информации о том, что 26 миллионов человек ежегодно становятся жертвами отравления пестицидами во всем мире, что приводит примерно к 220 000 смертей в год [1]. Кроме того, из-за своей стойкости остатки пестицидов остаются в окружающей среде в течение длительного периода времени, тем самым загрязняя почву и, таким образом, вызывает озабоченность по поводу функционирования почвы, биоразнообразия и безопасности пищевых продуктов [2]. Более того, уже имеется множество отчетов о попадании остатков пестицидов в пищевую цепочку с последующим их накоплением в организме потребителей, что в дальнейшем приводит к серьезным проблемам со здоровьем. Пестициды также известны как цитотоксические и канцерогенные по своей природе [3,4,5,6]. Они также могут вызывать различные заболевания нервной системы и костного мозга, бесплодие, а также респираторные и иммунологические заболевания [7,8,9,10]. Поэтому мониторинг остаточных количеств пестицидов в окружающей среде становится насущной задачей. Более того, регулярный мониторинг таких остаточных пестицидов также предоставит информацию о том, находится ли их присутствие в допустимых пределах или за их пределами [11].

Еще одна важная проблема, с которой сталкиваются агроэкосистемы, - это стойкость смертельных тяжелых металлов, включая кадмий, ртуть, медь, цинк, никель, свинец и хром, поскольку они ответственны за длительный и значительный ущерб различным биотическим системам, нарушая биологические процессы в организме. на клеточном уровне [12, 13], например, посредством нарушения фотосинтеза, нарушения всасывания минералов, прерывания цепи переноса электронов, индукции перекисного окисления липидов, нарушения метаболизма основных элементов, индукции окислительного стресса и повреждения растений органы, такие как корень, листья и другие клеточные компоненты [14,15,16]. Определенно, их естественное присутствие в земной коре - неоспоримый факт, но неконтролируемая антропогенная деятельность в значительной степени нарушила геохимический круговорот и биохимический баланс этих элементов. Это привело к увеличению количества таких металлов в различных частях растений. В совокупности все риски, связанные с присутствием и преобладанием тяжелых металлов в различных экосистемах, подчеркивают необходимость разработки систем для их определения даже при низких концентрациях в пробах окружающей среды [17].

В настоящее время доступны различные методы мониторинга агроэкосистем, включая газовую хроматографию, высокоэффективную жидкостную хроматографию, масс-спектроскопию и многое другое (рис. 1). Все эти методы позволяют легко обнаруживать и количественно определять загрязняющие вещества в окружающей среде, а также в сельскохозяйственных образцах. Напротив, чувствительность, специфичность и воспроизводимость таких измерений неоспоримы, но использование этих методов в основном ограничено их временными затратами, высокой стоимостью и потребностью в сложных приборах наряду с квалифицированным персоналом [8]. Следовательно, существует непреодолимая потребность в скромных, быстрых и экономически эффективных методах мониторинга таких сельскохозяйственных загрязнителей [18,19,20]. Наносенсоры - это устройства с наноразмерными элементами, которые разработаны для идентификации конкретной молекулы, биологического компонента или условий окружающей среды. Эти датчики очень специфичны, удобны, экономичны и обнаруживают на гораздо более низком уровне по сравнению с их аналогами в макромасштабе. Типичная работа устройства с наносенсором состоит из трех основных компонентов:

1. 1.

   Подготовка образца:это может быть однородная или сложная суспензия газа, жидкости или твердого тела. Подготовка проб агроэкосистемы очень сложна из-за примесей и помех. Образец содержит определенные молекулы, функциональные группы молекул или организмов, на которые могут нацеливаться датчики. Эти целевые молекулы / организмы, известные как аналит, могут быть молекулами (красители / красители, токсиканты, пестициды, гормоны, антибиотики, витамины и т. Д.), Биомолекулами (ферменты, ДНК / РНК, аллергены и т. Д.), Ионами (металлы, галогены, поверхностно-активные вещества и т. д.), газ / пар (кислород, углекислый газ, летучие соединения, водяные пары и т. д.), организмы (бактерии, грибки, вирусы) и окружающая среда (влажность, температура, свет, pH, погода и т. д.) )

2. 2.

   Распознавание:определенные молекулы / элементы распознают аналиты в образце. Эти распознающие молекулы представляют собой антитела, аптамер, химические легендарные ферменты и т. Д. И обладают высоким сродством, специфичностью, селективными характеристиками по отношению к своим анализируемым веществам, что позволяет количественно оценить их до приемлемых уровней.

3. 3.

   Преобразование сигнала:некоторые методы преобразования сигнала делят эти скромные устройства на разные типы, такие как оптические, электрохимические, пьезоэлектрические, пироэлектрические, электронные и гравиметрические биосенсоры. Они преобразуют события распознавания в вычислимые сигналы, которые затем обрабатываются для получения данных (рис. 2).

Схематическое изображение, подчеркивающее различия между традиционными и передовыми технологиями мониторинга

Упрощенное представление, иллюстрирующее компонент наносенсоров для мониторинга агроэкосистем

Нанотехнологические вмешательства создают стимул для преобразования различных зон диагностики, таких как здоровье, лекарства, продукты питания, окружающая среда, а также сельскохозяйственный сектор, тем самым превращая умозрительные характеристики в практический результат [21,22,23,24, 25,26,27,28]. Нанотехнологии играют значительную роль в развитии многочисленных диагностических методологий, предоставляя человечеству современные инструменты, в том числе датчики, созданные на основе биотехнологий, медицинские учреждения, основанные на нанотехнологиях, а также биофотонику, которая упрощает обнаружение пестицидов, остатков лекарств, пищевых продуктов. переносимые патогенными микроорганизмами, токсинами и ионами тяжелых металлов [24, 29]. К счастью, арена нанотехнологий включает в себя понимание в сочетании с определяющим материалом на атомном или молекулярном уровне, где материя обнаруживает отличительные атрибуты и характеристики, когда ее приравнивают к объемной форме аналогичной материи [30]. В настоящее время, среди всех подходов, биосенсор представляет собой скромное и компактное исследовательское устройство, которое имеет возможность производить определенные систематические данные либо в количественном, либо в полуколичественном виде, используя компонент распознавания биологического происхождения, который присоединен к блок преобразования сигналов [31,32,33]. Тип использования метода преобразования сигнала разделил эти скромные устройства на различные типы, такие как оптические, электрохимические, пьезоэлектрические, пироэлектрические, электронные и гравиметрические биосенсоры [34]. Последние достижения в области нанотехнологий открыли различные новые пути для создания биосенсоров [29, 35]. Гибридизация наноматериалов с различными площадками биочувствительности (нано-биодатчиками) предлагает множество комбинированных и многоцелевых подходов для повышения чувствительности обнаружения [36] и, таким образом, улучшает возможности мониторинга даже отдельной молекулы [32, 37 , 38]. Наноразмер был определен приблизительно как 1–100 нм, что также эквивалентно миллиардной части метра. Его легко понять, сравнив его с размерами средней бактериальной клетки, которая составляет около 1000 нм в диаметре [39]. Наноматериал, который используется в зондировании, называется наносенсором, который построен в атомном масштабе для сбора данных. Далее наноматериал преобразуется в информацию, которую можно анализировать для нескольких приложений, например, чтобы следить за различными физическими и химическими признаками в труднодоступных областях, обнаруживать различные химические вещества биологического происхождения в различных клеточных органеллах и определять частицы нанометрового размера. в окружающей среде и промышленности [40, 41]. Присутствие даже одной вирусной частицы и веществ, присутствующих в очень низких концентрациях, можно обнаружить с помощью наносенсоров. Наносенсор состоит из биочувствительного слоя, ковалентно прикрепленного к другому элементу, называемому преобразователем. Физико-химические изменения, вызванные взаимодействием целевого аналита с биорецептором, преобразуются в электрический сигнал [40].

В последние годы большое количество био- и наносенсоров с превосходным визуальным распознаванием было использовано для обнаружения нескольких композитов из огромного количества образцов. Диапазон композитов охватывает несколько ионов металлов, белки, пестициды, антибиотики для обнаружения полных микроорганизмов, а также амплификацию и секвенирование нуклеиновых кислот [19, 33, 42, 43]. Помимо мониторинга сельскохозяйственных процессов и остатков, за последние два десятилетия стали известны и другие потенциальные применения нанотехнологий [44,45,46,47]. Неотъемлемые преимущества использования нанотехнологий для улучшения сельскохозяйственного сектора включают доставку стимуляторов роста с помощью наноматериалов [44, 48, 49], питание (особенно микроэлементы) [49, 50], а также генетические модификации растений [51, 52]. ]. Кроме того, было обнаружено, что используются различные пестициды в форме нанофунгицидов, нанобактериоцидов, а также наноинсектициды [50, 53,54,55]. Кроме того, другие преимущества нанотехнологий включают восстановление на основе наноматериалов [56], наногербициды [57], а также их использование в биотехнологии [58], аквакультуре [59], послеуборочных технологиях [60], ветеринарии [61], рыболовстве [ 62] и семеноводство [63]. Все эти приложения вместе демонстрируют различные преимущества, такие как уменьшение загрязнения (в основном почвы и воды), снижение связанных затрат на охрану окружающей среды и повышение эффективности использования питательных веществ [45, 46, 50, 56, 64, 65, 66, 67, 68] ( Рис.3). Учитывая вышеупомянутые факты, настоящий обзор нацелен на использование различных видов наносенсоров в различных агроэкосистемах для выявления различных компонентов наряду с обнаружением некоторых посторонних компонентов, вторгающихся в естественные агроэкосистемы.

Различные применения нанотехнологий в сельском хозяйстве

Наносенсоры для обнаружения пестицидов

Пестициды находят широкое применение в сельскохозяйственных системах для предотвращения, регулирования или уничтожения вредителей, насекомых, сорняков и грибов с целью повышения продуктивности агроэкосистем [69]. Использование пестицидов постоянно растет, и они могут обеспечить почти треть мировой сельскохозяйственной продукции [70]. Однако неизбирательное использование пестицидов в полевых условиях привело к загрязнению грунтовых вод и их накоплению в пищевых ресурсах, что также серьезно повлияло на нецелевые виды, такие как люди и животные (рис. 4). Воздействие пестицидов на людей может влиять на здоровье по-разному, и сопутствующие эффекты для здоровья могут варьироваться от мутагенности, нейротоксичности, канцерогенности до генотоксичности [71, 72]. Некоторые пестициды, такие как органофосфаты, накапливаются в организме животных даже при их применении в небольших концентрациях, а воздействие более высоких концентраций приводит к ингибированию таких ферментов, как ацетилхолинэстераза, которые создают серьезные риски для здоровья человека [73]. Поэтому для обеспечения безопасности пищевых продуктов очень важна разработка передовых методов обнаружения остатков пестицидов.

Неблагоприятное воздействие пестицидов на здоровье человека

Хотя с давних пор используются различные подходы для обнаружения остатков пестицидов, такие как высокоэффективная жидкостная хроматография, колориметрические анализы, твердофазный иммуноферментный анализ, жидкостная / газовая хроматография-масс-спектрометрия, электрофорез и процедуры флуориметрического анализа [8 , 74,75,76,77,78,79]. Тем не менее, большинство этих методов представляют собой анализы одиночного сигнала, которые требуют дорогостоящего оборудования, профессиональных операторов и сложной предварительной обработки образцов, тогда как некоторые из них даже подвержены изменениям в условиях окружающей среды [80, 81]. Следовательно, такие меры обнаружения не подходят для обнаружения остаточных пестицидов на месте. Кроме того, они также не подходят для обнаружения в реальном времени, что ограничивает их использование в экстренных случаях [82]. Следовательно, методы обнаружения, использующие несколько сигналов, повышают надежность и удобство анализа. Например, методы, нацеленные на сочетание мультисигнального флуориметрического метода с колориметрическими анализами, способны обойти влияние фона в многогранных структурах и дополнить восприятие невооруженным глазом в различных практических запросах [83]. Поэтому сосредоточение дополнительных усилий на оценке различных подходов к обнаружению пестицидов быстрыми, упрощенными, избирательными, деликатными, точными и доступными средствами привело к разработке оптических датчиков для обнаружения остатков пестицидов [80].

Уже известны многочисленные оптические стратегии для обнаружения пестицидов, в которых используются такие элементы распознавания, как ферменты, антитела, молекулярно импринтированные полимеры, аптамеры и распознаватели «хозяин-гость». Такие подходы могут надежно распознать и обнаружить конкретную пестицидную частицу [81, 84,85,86,87,88]. Кроме того, соединение компонентов распознавания с наноматериалами приводит к более высоким уровням чувствительности и огромной специфичности для мгновенного применения, что является основным требованием для быстрого и эффективного обнаружения пестицидов [82]. Таким образом, поиск быстрого, чувствительного, специфического, точного и простого в использовании метода обнаружения остаточных пестицидов привел к развертыванию наносенсоров в качестве выдающейся замены традиционным методам из-за их экономической эффективности, компактности, простоты транспортировки и т. Д. необычайная чувствительность и меньшее время обнаружения [89] (рис. 1).

Как правило, оптический датчик состоит из элемента распознавания, который специфичен для конкретной остаточной пестицидной частицы и может взаимодействовать с другим компонентом, датчиком, который используется для выработки сигнала для связывания определенного остатка пестицида с датчиком. . Компоненты распознавания, которые состоят из ферментов, антител, молекулярно-импринтированных полимеров, аптамеров и распознавателей "хозяин-гость", привлекают внимание научного сообщества для улучшения диагностических характеристик любого сенсора. Преобладающие оптические пробники можно разделить на четыре типа в зависимости от форматов выходного сигнала. Это флуоресцентные (FL), колориметрические (CL), поверхностно-усиленные оптические датчики комбинационного рассеяния (SERS) и поверхностного плазмонного резонанса (SPR) [90].

Другой широко известный вид наносенсоров - это наносенсоры с иммунохроматографическими полосками (ICTS), которые широко используются в аналитических устройствах в местах оказания медицинской помощи [91]. Сообщалось также об иммунохроматографических анализах для их участия в мониторинге агроэкосистем в связи с их поведением при тестировании в местах оказания медицинской помощи. Например, стратегия видимого колориметрического считывания была принята в опубликованном иммунохроматографическом анализе для обнаружения ГМ-культур, который давал только ответ «да / нет» и часто страдал недостаточной чувствительностью [92,93,94]. Аналогичным образом, датчики ICTS на основе наночастиц золота обладают низкой чувствительностью обнаружения из-за получения относительно более слабой цветовой плотности, что ограничивает их применение [95, 96]. Однако их чувствительность может быть улучшена с помощью нескольких предложенных стратегий амплификации, таких как увеличение интенсивности сигнала обнаружения, повышение сродства реагента, оптимизация методов мечения и изменение формы стрип-устройств [96]. Таким образом, улучшенные наносенсоры ICTS также могут оказаться экономически жизнеспособным инструментом для обнаружения остатков пестицидов в агроэкосистемах.

Объединение нанотехнологий с различными электрохимическими подходами ставит под угрозу превосходную рабочую площадь поверхности датчика наряду с достойной проверкой микросреды электрода. Наночастицы обладают разнообразными и многочисленными свойствами, тем самым обладают потенциалом выполнять несколько задач в сенсорных структурах, основанных на электрохимических явлениях, например, катализируя электрохимические реакции, усиливая перенос электронов, маркируя и выполняя роль реагента [97]. Таким образом, электрохимические наносенсоры являются эффективным инструментом для обнаружения пестицидов. В последнее время электрохимические биосенсоры, основанные в первую очередь на ферменте холинэстеразе, появились как подходящие устройства, предназначенные для обнаружения остаточных пестицидных частиц, особенно принадлежащих к классу карбаматов и органофосфатов, благодаря их большой восприимчивости, разборчивости и безболезненным методам создания [98, 99]. Тем не менее, биосенсоры на основе ферментов имеют довольно много ограничений, среди которых высокая цена, пониженная активность фермента и усеченная воспроизводимость [100]. Более того, ферменты кажутся нестабильными по своей природе, а также подвержены денатурации в неблагоприятных условиях окружающей среды, что ограничивает срок службы биосенсоров, тем самым ограничивая их практическое применение [101]. Кроме того, проявление нескольких примесей, таких как наличие различных тяжелых металлов в образцах биологического происхождения, также может нарушить селективность, а также чувствительность фермента во время обнаружения, что может привести к ложноположительным результатам [102]. Следовательно, возникает потребность в неферментативных электрохимических биосенсорах. Наноматериалы кажутся многообещающими участниками для создания неферментативных электрохимических сенсоров [103]. Различные категории наноматериалов, содержащих наночастицы (например, CuO, CuO – TiO ₂ , и ZrO ₂ , NiO), нанокомпозиты (такие как нанокомпозит молибдена) и нанотрубки (например, пептидные и углеродные нанотрубки) широко используются для электрохимического определения остаточных пестицидных частиц [104,105,106]. Явное и глубокое исследование остаточных пестицидных частиц таких наноматериалов объясняется их чрезвычайно маленьким размером, большей площадью поверхности и неповторимыми электрическими, а также химическими свойствами [70].

Чувствительность, а также селективность различных наносенсоров к определенным пестицидам сообщалось в различных исследованиях (таблица 1), например, было обнаружено, что два разных оптических сенсора, основанные на серебряных нанодендритах и ​​преобразующих наночастицах, обнаруживают диметоат и метрибузин пестицидов при уровни 0,002 ppm и 6,8 × 10 ⁻⁸ M соответственно [107, 108]. Точно так же электрохимический наносенсор, основанный на наночастицах CuO, украшенных 3D-графеновым нанокомпозитом, обнаружил малатион на уровне 0,01 нМ [109], тогда как электрохимический аптасенсор, изготовленный из нанокомпозита хитозан-оксид железа, обнаружил малатион с удивительной чувствительностью 0,001 нг / мл [110] .

Наносенсоры для обнаружения тяжелых металлов

Существование различных ионов тяжелых металлов, таких как Pb ²⁺ , Hg ²⁺ , Ag ⁺ , CD ²⁺ , и Cu ²⁺ из разных источников оказывает шаткое влияние на людей, а также на их окружение. Аккреция тяжелых металлов в различных средах поддерживается непрерывным ростом сельскохозяйственных и промышленных достижений наряду с недостаточным сбросом ионов тяжелых металлов из сточных вод и бытовых выбросов [111]. Поэтому для обеспечения безопасности окружающей среды наряду с анализом состояния здоровья крайне желательно извлекать следы ионов тяжелых металлов с помощью квалифицированных методов. Понимание тяжелых металлов может быть достигнуто путем изучения нескольких аналитических систем [112], например, рентгеновской флуоресцентной спектрометрии (XRF), атомно-абсорбционной спектрометрии (AAS), атомно-эмиссионной спектрометрии (AES) и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой ( ICP-MS), но их применение страдает множеством ограничений, таких как изобилие устройств, трудоемкие методы и трудоемкость. Поэтому, чтобы управлять этими ограничениями, были всесторонне изучены многочисленные типы оптических, электрохимических и колориметрических уловок (Таблица 2), чтобы разработать скромные и прибыльные помосты для обнаружения тонких, поспешных и проницательных исследований ионов тяжелых металлов [113, 114].

Оптические химические сенсоры, которые часто используются для обнаружения тяжелых металлов, вписываются в группу химических сенсоров, которые в основном используют электромагнитное излучение для создания диагностического сигнала в элементе, известном как преобразовательный элемент. Взаимодействие между образцом и излучением меняет конкретное оптическое соображение, которое может быть взаимосвязано с концентрацией аналита [115, 116]. Например, оптический наносенсор, синтезированный с использованием наногибридных квантовых точек CdSe для обнаружения кадмия, восстановил свою зеленую фотолюминесценцию при ощущении металлического кадмия [117]. Оптические химические сенсоры работают по принципу кажущихся вариаций оптических свойств (испускание, поглощение, пропускание, время жизни и т. Д.), Которые появляются в результате связывания задержанного индикатора (органического красителя) с аналитом [118]. Подход заманчивой нанотехнологии на основе графена рассматривается как инструмент, который сводит на нет такие проблемы и передает сенсорную платформу с повышенной производительностью. Оптические методы, основанные преимущественно на наноматериалах графенового происхождения, были продвинуты в последнее время как одна из перспективных практик для обнаружения ионов тяжелых металлов из-за вероятного превосходства их кроткой конструкции и разумного понимания некоторых отличительных ионов металлов [116].

Благородные наночастицы, такие как Ag, Au, Pd, наделены уникальной чертой имитации активности пероксидазы, а их соединение с графеном повышает их прочность наряду с превосходными каталитическими характеристиками. Существует множество датчиков, предназначенных для обнаружения множества ионов тяжелых металлов на основе этой особенности. Гибридизация оксида графена с наночастицами серебра привела к получению наногибридов, имитирующих активность фермента пероксидазы, и, как было обнаружено, они способны различать двухцепочечные и одноцепочечные молекулы ДНК. Поэтому выполнение калориметрического определения Pb ²⁺ и Hg ²⁺ подходит на основе изменения конформации ДНК, вызванного ионами металла, поскольку при их возникновении конформация была изменена либо на квадруплексную, либо на подобную шпильке сборку [119, 120]. Кроме того, такие колориметрические подходы выгодны из-за их простоты в эксплуатации, экономически целесообразной, переносной аппаратуры и простых в использовании приложений. Было обнаружено, что хемосенсоры для обнаружения тяжелых металлов затрудняют устранение целевых видов, поскольку они могут привести к вторичному загрязнению. Таким образом, объединение флуоресцентной и магнитной функциональности в единой нанокомпозитной частице представляется подходящей заменой [121]. Тем не менее, появление магнитных наночастиц сильно гасит фотолюминесценцию флуоресцентной составляющей, что является серьезной проблемой для разработки таких видов нанокомпозитов. Поэтому, чтобы решить эту проблему, многочисленные взаимодействия, происходящие на молекулярном уровне, такие как гидрофобные и электростатические взаимодействия, водородные связи и ковалентные связи, часто используются для синтеза нанокомпозитов. Например, квантовые точки, размещенные на неглубокой части слоистого полимера Fe ₂ О ₃ глобулы с использованием подходов тиоловой химии. Наночастицы золота задерживаются на поверхности нескольких материалов, включая Fe ₂ О ₃ также были синтезированы наночастицы и микросферы кремнезема, использующие электростатические связи [122, 123].

Подход к созданию мультимодальных наносенсоров с использованием принципов нанохимии более привлекателен, поскольку он не только эффективно обнаруживает, но и удаляет ионы тяжелых металлов в водной среде. Мультимодальный наносенсор, синтезированный Satapathi et al. [124] в результате многоступенчатой ​​производственной практики возникла тонкая оболочка из диоксида кремния, в которой заключен магнитный (Fe ₂ О ₃ ) наночастиц, неподвижного спейсера и флуоресцентной квантовой точки, предназначенных для одновременного распознавания, а также удаления пятнистого иона ртути. Исключительная чувствительность этого наносенсора может быть отмечена его способностью обнаруживать Hg ²⁺ на наномолярном уровне с пределом обнаружения всего 1 нм. Экологичность наносенсора может быть подтверждена уникальным свойством удаления обнаруженного аналита с помощью внешнего стержневого магнита, не оставляющего остатков в качестве загрязнителя. Некоторые соединения используются для стабилизации наносенсоров, таких как полисахариды, цитраты, различные полимеры и белки, для улучшения свойств наносенсоров [125]. Наночастицы серебра, стабилизированные эпикатехином, можно использовать для точного обнаружения Pb ²⁺ , что тоже связано с появлением различных отслеживающих ионов металлов. Низкий предел обнаружения, простой синтез, превосходное распознавание и экономичное производство делают ECAgNPs, мощным датчиком, предназначенным для повторяющейся проверки Pb ²⁺ интенсивности в экологических моделях [126]. Использование квантовых точек дает замечательные преимущества с точки зрения их фотофизических, а также химических свойств, тем самым делая датчики на основе флуоресцентных квантовых точек эффективным инструментом для обнаружения множества ионов металлов [127, 128]. Однако основным недостатком использования квантовых точек является их разделение и восстановление в практических приложениях, что оказывается неумеренной, трудоемкой и утомительной задачей. Тем не менее, внедрение магнитных наноматериалов (Fe ₃ О ₄ ) в датчики флуоресценции на основе квантовых точек решает эту проблему и предлагает несколько дополнительных преимуществ благодаря их высокой удельной поверхности, особым магнитным свойствам, магнитной работоспособности и низкой токсичности. Ян и др. [128] установили многофункциональные магнитно-флуоресцентные наночастицы на основе карбоксиметилхитозана в сочетании с флуоресцентными квантовыми точками и магнитными наноматериалами, которые могут обнаруживать и отделять Hg ²⁺ одновременно с уровнем восприятия 9,1 × 10 ⁻⁸ Молл. Таким образом, простая и изощренная методология нанотехнологий предлагает направление, касающееся полевых сенсорных устройств с тяжелыми металлами в будущем, что в настоящее время представляется сложной задачей с различными ограничениями.

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. Ли и др. [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 О ₄ /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 О ₄ 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⁺ ионы. 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.

Availability of data and materials

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 О ₄ :

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