Una revisión sobre la aplicación de biosensores y nanosensores en los agroecosistemas

Introducción

Las últimas décadas han sido testigos de muchos desafíos, como la tensión demográfica perpetua, las condiciones climáticas incesantemente fluctuantes, así como el aumento de los sorteos por los recursos, todos los cuales han representado una amenaza atroz y, por lo tanto, provocado una necesidad imperiosa de garantizar la seguridad alimentaria mundial. Las prácticas agrícolas existentes para satisfacer las necesidades alimentarias incluyen el uso incontrolado de recursos, maquinaria sofisticada y el uso creciente e indiscriminado de agroquímicos. Estas prácticas han provocado un deterioro significativo del suelo, el aire y los recursos hídricos, por lo que han aumentado expresivamente los niveles de contaminación en los entornos agrícolas, lo que a su vez ha afectado fuertemente la salud humana y animal. El alcance de los efectos sobre la salud del uso de plaguicidas se puede estimar a partir de la información de que 26 millones de personas se convierten en víctimas de intoxicación por plaguicidas anualmente en todo el mundo, lo que resulta en unas 220.000 muertes anuales [1]. Además, debido a su naturaleza persistente, los residuos de plaguicidas permanecen en el medio ambiente durante un período prolongado de tiempo contaminan el suelo y, por lo tanto, generan preocupaciones sobre el funcionamiento del suelo, la biodiversidad y la seguridad alimentaria [2]. Además, ya hay muchos informes disponibles sobre la entrada de residuos de plaguicidas en la cadena alimentaria seguida de su acumulación en el cuerpo de los consumidores, lo que provoca además graves problemas de salud. También se sabe que los plaguicidas son citotóxicos y cancerígenos por naturaleza [3, 4, 5, 6]. También pueden inducir diversos trastornos nerviosos y de la médula ósea, infertilidad, así como enfermedades respiratorias e inmunológicas [7,8,9,10]. Por tanto, la vigilancia de los residuos de plaguicidas en el medio ambiente se convierte en una preocupación imperativa. Además, la vigilancia periódica de dichos plaguicidas residuales también proporcionará información sobre si su presencia se encuentra dentro o fuera de los límites aceptables [11].

Otro desafío importante que enfrentan los agroecosistemas es la persistencia de metales pesados ​​letales que comprenden cadmio, mercurio, cobre, zinc, níquel, plomo y cromo, ya que son responsables de daños prolongados y significativos a varios sistemas bióticos al interrumpir las acciones biológicas en el nivel celular [12, 13], por ejemplo, a través de la interrupción de la fotosíntesis, la interrupción de la absorción de minerales, la interrupción de la cadena de transporte de electrones, la inducción de la peroxidación de lípidos, la alteración del metabolismo de los elementos esenciales, la inducción de estrés oxidativo y al dañar la planta órganos como la raíz, las hojas y otros componentes celulares [14, 15, 16]. Definitivamente, su ocurrencia natural en la corteza terrestre es un hecho innegable, pero las actividades antropogénicas incontroladas han alterado el ciclo geoquímico y el equilibrio bioquímico de estos elementos en una medida notable. Esto ha resultado en una mayor prevalencia de dichos metales en diferentes partes de la planta. En conjunto, todos los riesgos que plantea la presencia y prevalencia de metales pesados ​​en varios ecosistemas enfatizan la necesidad de desarrollar sistemas para detectarlos incluso en concentraciones bajas en muestras ambientales [17].

En la actualidad, varios métodos disponibles para monitorear agroecosistemas incluyen cromatografía de gases, cromatografía líquida de alta resolución, espectroscopía de masas y más (Fig. 1). Todas estas técnicas pueden detectar y cuantificar fácilmente contaminantes en el medio ambiente, así como muestras agrícolas. Por el contrario, la sensibilidad, especificidad y reproducibilidad de tales mediciones son incontrovertibles, pero el despliegue de estos métodos está predominantemente restringido por su consumo de tiempo, alto costo y requerimiento de aparatos sofisticados junto con personal calificado [8]. Por lo tanto, existe una necesidad impenetrable de métodos modestos, rápidos y económicamente viables para monitorear tales contaminantes agrícolas [18, 19, 20]. Los nanosensores son dispositivos de elementos a nanoescala que están diseñados para identificar una molécula particular, un componente biológico o circunstancias ambientales. Estos sensores son muy específicos, prácticos, rentables y detectan a un nivel mucho más bajo en comparación con sus análogos de macroescala. Una operación típica de un dispositivo nanosensor contiene tres componentes básicos:

1. 1.

   Preparación de la muestra:Puede ser una suspensión homogénea o compleja de estado gaseoso, líquido o sólido. La preparación de muestras del agroecosistema es muy desafiante debido a las impurezas y las interferencias. La muestra contiene moléculas específicas, grupos funcionales de moléculas u organismos, que los sensores pueden apuntar. Estas moléculas / organismos objetivo conocidos como analito y podrían ser moléculas (tintes / colores, tóxicos, pesticidas, hormonas, antibióticos, vitaminas, etc.), biomoléculas (enzimas, ADN / ARN, alérgenos, etc.), iones (metales, halógenos, tensioactivos, etc.), gas / vapor (oxígeno, dióxido de carbono, compuestos volátiles, vapores de agua, etc.), organismos (bacterias, hongos, virus) y medio ambiente (humedad, temperatura, luz, pH, clima, etc.) )

2. 2.

   Reconocimiento:Ciertas moléculas / elementos reconocen los analitos dentro de la muestra. Estas moléculas de reconocimiento son anticuerpos, aptámeros, enzimas de leyendas químicas, etc., y tienen alta afinidad, especificidad y características selectivas para sus analitos para cuantificarlos a niveles de aceptación.

3. 3.

   Transducción de señales:Ciertos métodos de transducción de señales han categorizado estos dispositivos modestos en diferentes tipos, como biosensores ópticos, electroquímicos, piezoeléctricos, piroeléctricos, electrónicos y gravimétricos. Convierten los eventos de reconocimiento en señales computables que luego se procesan para producir los datos (Fig. 2).

Representación esquemática que destaca las diferencias entre las tecnologías de monitoreo tradicionales y avanzadas

Representación simplificada que ilustra el componente de nanosensores para monitorear agroecosistemas

Las intervenciones nanotecnológicas posicionan el estímulo para transfigurar las diversas zonas de diagnóstico como la salud, la medicación, la alimentación, el medio ambiente, así como el sector agropecuario, transitando así las características especulativas en la salida práctica [21,22,23,24, 25,26,27,28]. La nanotecnología juega un papel importante en el avance de numerosas metodologías de diagnóstico al ofrecer a la humanidad herramientas contemporáneas que comprenden sensores establecidos en biotecnologías, instalaciones médicas basadas en nano, junto con biofotónica que simplifica la detección de pesticidas, residuos de medicamentos, alimentos microorganismos patógenos transmitidos, contaminantes de toxinas e iones de metales pesados ​​[24, 29]. Afortunadamente, el campo de la nanotecnología comprende una comprensión junto con un material gobernante a escala atómica o molecular donde la materia revela atributos y desempeños distintivos cuando se compara con la forma masiva de materia similar [30]. Actualmente, entre todos los enfoques, un biosensor es un dispositivo de investigación modesto y compactado que tiene la capacidad de producir datos sistemáticos definidos ya sea de forma cuantitativa o semicuantitativa mediante el empleo de un componente de reconocimiento de origen biológico que se une a un unidad de transformación de señales [31,32,33]. El tipo de empleo del método de transducción de señales ha categorizado estos dispositivos modestos en diferentes tipos, como biosensores ópticos, electroquímicos, piezoeléctricos, piroeléctricos, electrónicos y gravimétricos [34]. Los recientes avances en nanotecnología han abierto varias formas nuevas para diseñar biosensores [29, 35]. La hibridación de nanomateriales con diferentes margaritas biosensibles (nanobiosensores) ofrece una gran cantidad de enfoques combinados y multipropósito para mejorar la sensibilidad de detección [36] y, por lo tanto, mejora la capacidad de monitorización incluso de una sola molécula [32, 37]. , 38]. La nanoescala se ha definido aproximadamente como 1–100 nm, que también equivale a una milmillonésima parte de un metro. Se puede entender fácilmente comparándolo con las dimensiones de una célula bacteriana promedio que tiene alrededor de 1000 nm de diámetro [39]. El nanomaterial que se emplea en la detección se llama nanosensor y se construye a escala atómica para la recopilación de datos. El nanomaterial se reasigna aún más a información que se puede analizar para varias aplicaciones, por ejemplo, para vigilar varios presagios físicos y químicos en áreas difíciles de abordar, detectar diferentes productos químicos de origen biológico en varios orgánulos celulares y determinar partículas de nanoescala. en el medio ambiente y la industria [40, 41]. La presencia de incluso una sola partícula de virus y sustancias presentes en concentraciones muy bajas se puede detectar utilizando nanosensores. Un nanosensor se compone de una capa biosensible que se une covalentemente a otro elemento llamado transductor. El cambio fisicoquímico producido por las interacciones del analito objetivo con el biorreceptor se convierte en una señal eléctrica [40].

En los últimos años, se han empleado una gran cantidad de bio y nanosensores de reconocimiento visual superior para la detección de varios compuestos a partir de una amplia gama de muestras. La gama de compuestos abarca varios iones metálicos, proteínas, pesticidas, antibióticos para la detección de microorganismos completos y amplificación y secuenciación de ácidos nucleicos [19, 33, 42, 43]. Además del seguimiento del proceso de control agrícola y de los residuos, en las dos últimas décadas también han surgido otras aplicaciones potenciales de la nanotecnología [44,45,46,47]. Los beneficios imperativos de la participación de la nanotecnología en la mejora del sector agrícola incluyen el suministro de promotores del crecimiento asistido por nanomateriales [44, 48, 49], la nutrición (especialmente los micronutrientes) [49, 50], así como las modificaciones genéticas en las plantas [51, 52]. ]. Además, también se han encontrado varios pesticidas en forma de nanofungicidas, nanobacteriocidas y nanoinsecticidas [50, 53,54,55]. Además, otros beneficios de la nanotecnología incluyen la rehabilitación basada en nanomateriales [56], los nanoherbicidas [57], así como los usos en el bioprocesamiento [58], la acuicultura [59], la tecnología poscosecha [60], la atención veterinaria [61], la pesca [ 62] y tecnología de semillas [63]. Todas estas aplicaciones juntas muestran varias ventajas como la reducción de la contaminación (principalmente el suelo y el agua), la reducción de los costos relacionados con la protección ambiental y una mayor eficiencia en el uso de nutrientes [45, 46, 50, 56, 64,65,66,67,68] ( Fig. 3). Dados los hechos antes mencionados, la presente revisión se enfoca en el empleo de diferentes tipos de nanosensores en diferentes agroecosistemas para revelar diferentes componentes junto con la detección de algunos componentes extraños que se inmiscuyen en los agroecosistemas naturales.

Varias aplicaciones de la nanotecnología en el sector agrícola

Nanosensores para la detección de pesticidas

Los plaguicidas encuentran amplias aplicaciones en los sistemas agrícolas para evitar, regular o abolir plagas, insectos, malezas y hongos para aumentar la productividad de los agroecosistemas [69]. El uso de plaguicidas aumenta constantemente y podrían asegurar casi una tercera parte de los productos agrícolas mundiales [70]. Sin embargo, el uso indiscriminado de plaguicidas en condiciones de campo ha contaminado las aguas subterráneas y marcado su acumulación en los recursos alimentarios, por lo que también ha afectado gravemente a especies no objetivo como seres humanos y animales (Fig. 4). La exposición de los seres humanos a los plaguicidas puede afectar la salud de diversas formas y los efectos sobre la salud concomitantes producidos pueden variar desde mutagenicidad, neurotoxicidad, carcinogenicidad hasta genotoxicidad [71, 72]. Algunos pesticidas como los organofosforados se acumulan en los cuerpos de los animales incluso con su aplicación en una pequeña concentración y la exposición a concentraciones más altas conduce a la inhibición de enzimas como la acetilcolinesterasa que imparten graves riesgos para la salud de los seres humanos [73]. Por lo tanto, para garantizar la seguridad alimentaria, es muy importante el desarrollo de métodos superiores para detectar residuos de plaguicidas.

Efectos adversos de los plaguicidas en la salud humana

Aunque desde hace mucho tiempo se están utilizando varios enfoques para la detección de residuos de plaguicidas, como la cromatografía líquida de alta resolución, los ensayos colorimétricos, el ensayo inmunoabsorbente ligado a enzimas, la cromatografía líquida / de gases-espectrometría de masas, la electroforesis y los procedimientos de ensayo fluorimétrico [8 74,75,76,77,78,79]. Sin embargo, la mayoría de estas técnicas son ensayos de señal única que requieren aparatos costosos, operadores profesionales y un pretratamiento complejo de las muestras, mientras que algunas incluso son propensas a variaciones en las condiciones ambientales [80, 81]. Por lo tanto, tales medidas de detección no son adecuadas para la detección in situ de plaguicidas residuales. Además, tampoco se considera que sean apropiados para la detección en tiempo real, lo que limita su uso en casos de emergencia [82]. En consecuencia, los métodos de detección que emplean múltiples señales mejoran la confiabilidad y conveniencia del análisis. Por ejemplo, los métodos dirigidos a una combinación de un método fluorimétrico de señales múltiples con ensayos colorimétricos son capaces de eludir la influencia del fondo en estructuras multifacéticas y complementar la detección a simple vista en diferentes solicitudes prácticas [83]. Por lo tanto, concentrar más esfuerzos en evaluar diferentes enfoques para la detección de plaguicidas en un medio rápido, simplista, selectivo, delicado, preciso y comprensible ha llevado al desarrollo de sensores ópticos para la detección de residuos de plaguicidas [80].

Ya se han reconocido numerosas estrategias ópticas para la detección de plaguicidas que explotaban elementos de reconocimiento como enzimas, anticuerpos, polímeros impresos molecularmente, aptámeros y reconocedores huésped-huésped. Dichos enfoques pueden reconocer y detectar firmemente la partícula de pesticida en particular [81, 84,85,86,87,88]. Además, el acoplamiento de los componentes de reconocimiento con los nanomateriales da como resultado mayores niveles de sensibilidad y una tremenda especificidad para el despliegue instantáneo, que es un requisito principal para la detección rápida y eficaz de plaguicidas [82]. Por lo tanto, la búsqueda de un método rápido, sensible, específico, preciso y fácil de operar para detectar pesticidas residuales ha dado como resultado el despliegue de nanosensores como un sustituto preeminente de los métodos convencionales debido a su rentabilidad, compacidad, facilidad de transporte, extraordinaria sensibilidad y menor tiempo de detección [89] (Fig. 1).

En general, un sensor óptico se compone de un elemento de reconocimiento que es específico para la partícula de pesticida residual particular y puede conectarse con el otro componente, el transductor, que se emplea para producir la señal para la unión de un residuo de pesticida en particular al sensor. . Los componentes de reconocimiento que se componen de enzimas, anticuerpos, polímeros impresos molecularmente, aptámeros y reconocedores huésped-huésped, están captando la atención de la comunidad científica para mejorar el rendimiento diagnóstico de cualquier sensor. Las sondas ópticas arraigadas predominantes podrían clasificarse en cuatro tipos según los formatos de salida de señal. Se trata de sensores ópticos de fluorescencia (FL), colorimétrico (CL), de dispersión Raman mejorada en la superficie (SERS) y de resonancia de plasmón superficial (SPR) [90].

Otro tipo de nanosensores ampliamente conocido son los nanosensores de tiras inmunocromatográficas (ICTS) que están ampliamente acreditados en dispositivos analíticos en el punto de atención [91]. También se ha informado de los ensayos inmunocromatográficos por su participación en el monitoreo de agroecosistemas debido a su comportamiento de prueba en el punto de atención. Por ejemplo, se adoptó una estrategia de lectura colorimétrica visible en el ensayo inmunocromatográfico informado para la detección de cultivos transgénicos, que solo proporcionó una respuesta de sí / no y, a menudo, adolecía de una sensibilidad insuficiente [92,93,94]. De manera similar, también se ha informado que los sensores ICTS basados ​​en nanopartículas de oro poseen una baja sensibilidad de detección, debido a la producción de una densidad de color relativamente más débil, lo que limita su aplicación [95, 96]. Sin embargo, su sensibilidad puede mejorarse mediante varias estrategias de amplificación propuestas, como aumentar la intensidad de la señal de detección, mejorar la afinidad del reactivo, optimizar las técnicas de etiquetado y modificar las formas de los dispositivos de tira [96]. Por lo tanto, los nanosensores ICTS mejorados también pueden resultar una herramienta económicamente viable para la detección de residuos de plaguicidas en agroecosistemas.

La fusión de la nanotecnología con diferentes enfoques electroquímicos compromete una superficie operativa superior al sensor junto con un control decente del microambiente del electrodo. Las nanopartículas deben propiedades divergentes y numerosas, por lo que poseen el potencial de desempeñar múltiples funciones en las estructuras de detección basadas en fenómenos electroquímicos, por ejemplo, catalizar las reacciones electroquímicas, mejorar la transferencia de electrones, marcar y actuar como reactivo [97]. Por lo tanto, los nanosensores electroquímicos parecen ser una herramienta eficaz para la detección de pesticidas. Recientemente, los biosensores electroquímicos que se basaban principalmente en la enzima colinesterasa aparecieron como dispositivos propicios destinados a detectar partículas residuales de pesticidas, especialmente pertenecientes a la clase de carbamatos y organofosforados atribuibles a su gran capacidad de percepción, elección y métodos de creación indoloros [98, 99]. No obstante, los biosensores basados ​​en enzimas se someten a muchas restricciones que incluyen un precio elevado, una actividad disminuida de la enzima y una reproducibilidad truncada [100]. Además, las enzimas parecen ser inherentemente inestables y también están sujetas a desnaturalización en condiciones ambientales hostiles, lo que restringe la vida útil de los biosensores, lo que limita sus aplicaciones prácticas [101]. Además, una manifestación de varias impurezas, como la presencia de diferentes metales pesados ​​en las muestras de origen biológico, también puede alterar la selectividad y la sensibilidad de la enzima durante la detección, lo que puede producir resultados falsos positivos [102]. Por tanto, provoca la necesidad de biosensores electroquímicos no enzimáticos. Los nanomateriales parecen ser competidores prometedores para formular sensores electroquímicos no enzimáticos [103]. Varias categorías de nanomateriales que comprenden nanopartículas (p. Ej., CuO, CuO – TiO ₂ y ZrO ₂ , NiO), los nanocompuestos (como los nanocompuestos de molibdeno) y los nanotubos (por ejemplo, péptidos y nanotubos de carbono) se encuentran ampliamente implicados en la determinación electroquímica de las partículas residuales de pesticidas [104,105,106]. La investigación explícita y profunda de las partículas residuales de plaguicidas por estos nanomateriales es atribuible a su tamaño extremadamente pequeño, mayor área de superficie y la posesión de propiedades eléctricas y químicas inimitables [70].

La sensibilidad, así como la selectividad de varios nanosensores para pesticidas definidos, se ha informado en varios estudios (Tabla 1), por ejemplo, se encontró que los dos sensores ópticos diferentes basados ​​en nanodendritas de plata y nanopartículas de conversión ascendente detectan los pesticidas dimetoato y metribuzina en los niveles de 0,002 ppm y 6,8 × 10 ⁻⁸ M, respectivamente [107, 108]. De manera similar, el nanosensor electroquímico conectado a tierra usando nanopartículas de CuO decoradas con nanocompuesto de grafeno 3D detectó malatión al nivel de 0.01 nM [109] mientras que el aptasensor electroquímico fabricado a través de nanocompuesto de quitosano-óxido de hierro detectó malatión con una sensibilidad sorprendente de 0.001 ng / mL [110] .

Nanosensores para la detección de metales pesados ​​

La existencia de diversos iones de metales pesados ​​como Pb ²⁺ , Hg ²⁺ , Ag ⁺ , Cd ²⁺ y Cu ²⁺ de diferentes recursos tiene una precaria influencia sobre el ser humano y su entorno. La acumulación de metales pesados ​​en diferentes entornos está respaldada por el impulso ininterrumpido de los logros agrícolas e industriales junto con la descarga inadecuada de iones de metales pesados ​​de las aguas residuales y las emisiones domésticas [111]. Por lo tanto, para garantizar la seguridad del medio ambiente junto con el análisis de la salud, es muy deseable la extracción de trazas de iones de metales pesados ​​mediante prácticas competentes. La captura de metales pesados ​​se puede lograr mediante la exploración de varios sistemas analíticos [112], por ejemplo, espectrometría de fluorescencia de rayos X (XRF), espectrometría de absorción atómica (AAS), espectrometría de emisión atómica (AES) y espectrometría de masas de plasma acoplado inductivamente ( ICP-MS), pero su aplicación adolece de muchas limitaciones, como la abundancia de dispositivos, los métodos que consumen mucho tiempo y la laboriosidad intensiva. Por lo tanto, para orientar estas restricciones, se han examinado exhaustivamente numerosos tipos de estratagemas ópticas, electroquímicas y colorimétricas (tabla 2) para idear proyectos modestos y lucrativos para aprehender la exploración delicada, apresurada y perspicaz de iones de metales pesados ​​[113, 114].

Los sensores químicos ópticos que se utilizan con frecuencia para la detección de metales pesados ​​encajan en un grupo de sensores químicos que emplean principalmente radiación electromagnética para generar una señal de diagnóstico en un elemento conocido como elemento de transducción. Las interacciones entre la muestra y la radiación cambian una consideración óptica específica que puede estar interrelacionada con la concentración de un analito [115, 116]. Por ejemplo, el nanosensor óptico sintetizado utilizando puntos cuánticos nanohíbridos de CdSe para la detección de cadmio restauró su fotoluminiscencia verde en la sensación de cadmio metálico [117]. Los sensores químicos ópticos funcionan según el principio de variaciones aparentes en las posesiones ópticas (emisión, absorción, transmisión, vida útil, etc.) que aparecen como resultado de la unión del indicador detenido (colorante orgánico) con el analito [118]. El enfoque de la tentadora nanotecnología basada en grafeno se embarca como una herramienta atribuible que incapacita tales desafíos y lega a la plataforma de detección un rendimiento mejorado. Las técnicas ópticas basadas predominantemente en nanomateriales de origen grafeno se han adelantado en tiempos recientes como una de las prácticas estimulantes para detectar iones de metales pesados ​​debido a las probables eminencias de su construcción mansa y apreciación sensible de algunos iones metálicos distintivos [116].

Las nanopartículas nobles como Ag, Au, Pd están dotadas de un rasgo único de imitar la actividad de la peroxidasa, y su congregación con el grafeno aumenta su robustez junto con un rendimiento catalítico superior. Existe una diversa magnitud de sensores relacionados con la detección de numerosos iones de metales pesados ​​basados ​​en esta característica. La hibridación de óxido de grafeno con nanopartículas de plata dio como resultado nanohíbridos que imitaban la actividad de la enzima peroxidasa y, además, se descubrió que eran capaces de discriminar entre moléculas de ADN monocatenarias y bicatenarias. Por lo tanto, realizar la detección calorimétrica de Pb ²⁺ y Hg ²⁺ adecuado basado en el cambio provocado por iones metálicos en la conformación del ADN porque la conformación se alteró en una disposición cuádruple o en un ensamblaje en forma de horquilla en su aparición [119, 120]. Además, tales enfoques colorimétricos son ventajosos debido a su operación simple, instrumentación transportable y económicamente factible y aplicaciones fáciles de usar. Los quimiosensores para detectar metales pesados ​​resultan problemáticos para la eliminación de las especies objetivo, ya que darían como resultado una contaminación secundaria. Por lo tanto, la integración de la funcionalidad fluorescente y magnética en una sola partícula nanocompuesta parece ser un sustituto capaz [121]. Sin embargo, la manifestación de las nanopartículas magnéticas apaga fuertemente la fotoluminiscencia de la fracción fluorescente, ascendiendo así a un serio desafío hacia el desarrollo de este tipo de nanocompuestos. Por lo tanto, para dirigir esta preocupación, numerosas interacciones que ocurren a nivel molecular, como interacciones hidrófobas y electrostáticas, enlaces de hidrógeno y enlaces covalentes, a menudo se dirigen a la síntesis de nanocompuestos. Por ejemplo, los puntos cuánticos colocados en la poca profundidad de Fe ₂ con capas de polímero O ₃ glóbulos empleando los enfoques de la química del tiol. Las nanopartículas de oro detenidas en la superficie de varios materiales, incluido Fe ₂ O ₃ También se han sintetizado nanopartículas y microesferas de sílice que emplean conexiones electrostáticas [122, 123].

El enfoque de sintetizar nanosensores multimodales utilizando principios de nanoquímica es bastante más atractivo, ya que no solo detecta de manera eficiente, sino que también elimina los iones de metales pesados ​​en los medios acuosos. El nanosensor multimodal sintetizado por Satapathi et al. [124] a través de la práctica de producción de varios pasos, implicó una capa delgada de sílice que encapsuló el magnético (Fe ₂ O ₃ ) nanopartículas, un brazo espaciador inamovible y un punto cuántico fluorescente destinado al reconocimiento coincidente así como a la eliminación del ión de mercurio manchado. La sensibilidad excepcional de este nanosensor se puede marcar por su capacidad de detectar Hg ²⁺ a nivel nanomolar con un límite de detección de solo 1 nm. El aspecto ecológico del nanosensor se puede defender mediante el atributo único de eliminar el analito detectado mediante el uso de una barra magnética externa, por lo que no deja restos como contaminante. Se utilizan varios compuestos para estabilizar los nanosensores, como los polisacáridos, citratos, diferentes polímeros y proteínas para mejorar los atributos de los nanosensores [125]. Las nanopartículas de plata estabilizadas con epicatequina se pueden utilizar para discernir la detección de Pb ²⁺ , eso también, en la aparición de diferentes iones metálicos fisgones. El bajo límite de detección, la fácil síntesis, el admirable discernimiento y la producción económica hacen de ECAgNP, un potente sensor destinado a la comprobación repetitiva de Pb ²⁺ intensidades en los modelos ecológicos [126]. El empleo de puntos cuánticos ofrece ventajas notables en términos de sus atributos fotofísicos y químicos, por lo que los sensores basados ​​en puntos cuánticos fluorescentes son una herramienta eficaz para detectar numerosos iones metálicos [127, 128]. Sin embargo, la principal desventaja del empleo de puntos cuánticos es su separación y recuperación en aplicaciones prácticas, lo que resulta ser una tarea inmoderada, laboriosa y tediosa. Sin embargo, la introducción de nanomateriales magnéticos (Fe ₃ O ₄ ) en los sensores de fluorescencia basados ​​en puntos cuánticos resuelve este problema y ofrece varias ventajas adicionales debido a su alta área de superficie específica, propiedades magnéticas especiales, operabilidad magnética y baja toxicidad. Yang y col. [128] estableció nanopartículas fluorescentes magnéticas multifuncionales basadas en el carboximetilquitosano amalgamado con puntos cuánticos fluorescentes y nanomateriales magnéticos que podían detectar y separar Hg ²⁺ simultáneamente junto con un nivel de detección de 9.1 × 10 ⁻⁸ prostituta. Por lo tanto, la metodología sofisticada y sin pretensiones de la nanotecnología ofrece una dirección con respecto a los dispositivos sensoriales de metales pesados ​​basados ​​en el campo en el futuro, lo que ahora parece ser una tarea difícil junto con varias limitaciones.

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 y col. [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 O ₄ / SiO ₂ 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 O 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⁺ iones. 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 O ₃ , 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.

Disponibilidad de datos y materiales

Not applicable.

Abreviaturas

AAS:

Atomic absorption spectrometry

AES:

Atomic emission spectrometry

Ag:

Silver

Al₂ O ₃ :

Aluminum oxide

Au:

Gold

CdSe:

Cadmium selenide

CL:

Colorimetric

CoFe₂ O 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

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