Uma revisão sobre a aplicação de biossensores e nanossensores em agroecossistemas

Resumo

As décadas anteriores testemunharam muitos desafios que provocaram uma extrema necessidade de garantir a segurança alimentar global. O processo de aumento da produção de alimentos fez com que os ecossistemas agrícolas enfrentassem muitos desafios, como a persistência de partículas residuais de diferentes pesticidas, o acúmulo de metais pesados e a contaminação com partículas elementares tóxicas que influenciaram negativamente o ambiente agrícola. A entrada de tais elementos tóxicos no corpo humano por meio de produtos agrícolas gera vários efeitos na saúde, como distúrbios dos nervos e da medula óssea, distúrbios metabólicos, infertilidade, interrupção das funções biológicas no nível celular e doenças respiratórias e imunológicas. A necessidade de monitorar os agroecossistemas pode ser avaliada contemplando as 220.000 mortes anuais relatadas devido aos efeitos tóxicos de partículas residuais de pesticidas. As práticas atuais empregadas para monitorar agroecossistemas dependem de técnicas como cromatografia gasosa, cromatografia líquida de alto desempenho, espectroscopia de massa, etc . que têm múltiplas restrições, sendo caros, tediosos com protocolo complicado, exigindo aparelhos sofisticados junto com pessoal qualificado. As últimas duas décadas testemunharam uma grande expansão da ciência da nanotecnologia e esse desenvolvimento facilitou amplamente o desenvolvimento de bio e nanosensores modestos, rápidos e economicamente viáveis para detectar diferentes entidades que contaminam os agroecossistemas naturais com a vantagem de serem inócuos para os humanos saúde. O crescimento da nanotecnologia tem oferecido um rápido desenvolvimento de bio e nanosensores para a detecção de diversos compostos que vão desde diversos íons metálicos, proteínas, pesticidas, até a detecção de microrganismos completos. Portanto, a presente revisão enfoca diferentes bio e nanosensores empregados para monitorar ecossistemas agrícolas e também tenta destacar o fator que afeta sua implementação desde a prova de conceito até a fase de comercialização.

Introdução

As últimas décadas testemunharam muitos desafios, como a tensão demográfica perpétua, as condições climáticas incessantemente flutuantes, bem como o aumento das apostas pelos recursos, todos os quais representaram uma ameaça flagrante e, portanto, provocaram uma extrema necessidade de garantir a segurança alimentar global. As práticas agrícolas existentes para atender às necessidades alimentares incluem o uso descontrolado de recursos, maquinários sofisticados, bem como o uso crescente e indiscriminado de agroquímicos. Essas práticas levaram a uma significativa deterioração do solo, do ar e dos recursos hídricos, elevando expressivamente os níveis de poluição dos ambientes agrícolas, o que, por sua vez, afetou fortemente a saúde humana / animal. A extensão dos efeitos do uso de pesticidas na saúde pode ser estimada a partir da informação de que 26 milhões de pessoas se tornam vítimas de envenenamento por pesticidas anualmente em uma base global, o que resulta em cerca de 220.000 mortes anuais [1]. Além disso, devido à sua natureza persistente, os resíduos de pesticidas permanecem no meio ambiente por um período de tempo prolongado, contaminando o solo e, portanto, levantando preocupações sobre o funcionamento do solo, a biodiversidade e a segurança alimentar [2]. Além disso, já existem diversos relatos sobre a entrada de resíduos de agrotóxicos na cadeia alimentar seguida de seu acúmulo no organismo dos consumidores, resultando em graves problemas de saúde. Os pesticidas também são conhecidos por serem citotóxicos e carcinogênicos por natureza [3,4,5,6]. Eles também podem induzir vários distúrbios nervosos e da medula óssea, infertilidade, bem como doenças respiratórias e imunológicas [7,8,9,10]. Portanto, o monitoramento de resíduos de agrotóxicos no meio ambiente torna-se uma preocupação imprescindível. Além disso, monitorar regularmente esses pesticidas residuais também fornecerá informações sobre se sua ocorrência está dentro ou além dos limites aceitáveis [11].

Outro desafio importante que os agroecossistemas enfrentam é a persistência de metais pesados letais que compreendem cádmio, mercúrio, cobre, zinco, níquel, chumbo e cromo, visto que são responsáveis por danos prolongados e significativos a vários sistemas bióticos, interrompendo as ações biológicas em o nível celular [12, 13], por exemplo, via interrupção da fotossíntese, interrupção da absorção de minerais, interrupção da cadeia de transporte de elétrons, indução de peroxidação lipídica, perturbação no metabolismo de elementos essenciais, indução de estresse oxidativo e danos à planta órgãos como raiz, folhas e outros componentes celulares [14,15,16]. Definitivamente, sua ocorrência natural na crosta terrestre é um fato inegável, mas as atividades antropogênicas descontroladas perturbaram o ciclo geoquímico e o equilíbrio bioquímico desses elementos de forma notável. Isso resultou em um aumento da prevalência de tais metais em diferentes partes da planta. Juntos, todos os riscos apresentados pela presença e prevalência de metais pesados em vários ecossistemas enfatizam a necessidade de desenvolver sistemas para detectá-los mesmo em baixas concentrações em amostras ambientais [17].

Atualmente, vários métodos disponíveis para monitorar agroecossistemas incluem cromatografia gasosa, cromatografia líquida de alto desempenho, espectroscopia de massa e muito mais (Fig. 1). Todas essas técnicas podem detectar e quantificar facilmente contaminantes no meio ambiente e também em amostras agrícolas. Pelo contrário, a sensibilidade, especificidade e reprodutibilidade de tais medições são incontestáveis, mas a implantação desses métodos é predominantemente restrita por seu consumo de tempo, alto custo e exigência de aparelhos sofisticados, juntamente com pessoal qualificado [8]. Portanto, há uma necessidade impenetrável de métodos modestos, rápidos e economicamente viáveis para monitorar esses contaminantes agrícolas [18,19,20]. Os nanossensores são dispositivos de elemento em nanoescala que são projetados para identificar uma molécula específica, componente biológico ou circunstâncias ambientais. Esses sensores são altamente específicos, úteis, econômicos e detectam em um nível muito mais baixo em comparação com seus análogos em macroescala. Uma operação típica de dispositivo nanossensor contém três componentes básicos:

1.
Preparação da amostra:Pode ser uma suspensão homogênea ou complexa de gás, líquido ou estado sólido. A preparação de amostras do agroecossistema é muito desafiadora devido às impurezas e interferências. A amostra contém moléculas específicas, grupos funcionais de moléculas ou organismos, que os sensores podem ter como alvo. Essas moléculas / organismos alvo conhecidos como analito e podem ser moléculas (corantes / cores, tóxicos, pesticidas, hormônios, antibióticos, vitaminas, etc.), biomoléculas (enzimas, DNA / RNA, alérgenos, etc.), íons (metais, halogênios, surfactantes, etc.), gás / vapor (oxigênio, dióxido de carbono, compostos voláteis, vapores de água, etc.), organismos (bactérias, fungos, vírus) e meio ambiente (umidade, temperatura, luz, pH, clima, etc. )
2.
Reconhecimento:certas moléculas / elementos reconhecem os analitos na amostra. Essas moléculas de reconhecimento são anticorpos, aptâmeros, enzimas de lendas químicas, etc., e têm alta afinidade, especificidade e características seletivas para seus analitos para quantificá-los em níveis de aceitação.
3.
Transdução de sinal:Certos métodos de transdução de sinal categorizaram esses modestos dispositivos em diferentes tipos, como biossensores ópticos, eletroquímicos, piezoelétricos, piroelétricos, eletrônicos e gravimétricos. Eles convertem eventos de reconhecimento em sinais computáveis que são posteriormente processados para produzir os dados (Fig. 2).

Representação esquemática destacando as diferenças entre as tecnologias de monitoramento tradicionais e avançadas

Representação simplificada ilustrando o componente de nanosensores para monitoramento de agroecossistemas

As intervenções nanotecnológicas posicionam o estímulo para transfigurar as diversas zonas de diagnósticos como saúde, medicamentos, alimentos, meio ambiente, bem como o setor agrícola, transitando assim as características especulativas em produção prática [21,22,23,24, 25,26,27,28]. A nanotecnologia desempenha um papel significativo no avanço de numerosas metodologias de diagnóstico, tornando a humanidade com ferramentas contemporâneas que compreendem sensores estabelecidos em biotécnicas, instalações médicas baseadas em nano, juntamente com bio-fotônica que simplifica a detecção de pesticidas, resíduos de drogas, alimentos microorganismos patogênicos transmitidos, contaminantes de toxinas e íons de metais pesados [24, 29]. Felizmente, a arena da nanotecnologia compreende um entendimento acoplado com o material governante na escala atômica ou molecular, onde a matéria revela atributos e desempenhos distintos quando comparada à forma volumosa de matéria semelhante [30]. Atualmente, entre todas as abordagens, um biossensor é um dispositivo investigativo modesto e compactado que tem a capacidade de produzir dados sistemáticos definitivos de forma quantitativa ou semiquantitativa, empregando um componente de reconhecimento de origem biológica que é unido a um unidade de transformação de sinal [31,32,33]. O tipo de emprego do método de transdução de sinal categorizou esses modestos dispositivos em diferentes tipos, como biossensores ópticos, eletroquímicos, piezoelétricos, piroelétricos, eletrônicos e gravimétricos [34]. Os avanços recentes na nanotecnologia abriram várias novas maneiras de projetar biossensores [29, 35]. A hibridização de nanomateriais com diferentes estrados de biossensor (nano-bio sensores) oferece uma grande quantidade de abordagens conjuntas e multifuncionais para maior sensibilidade para detecção [36] e, portanto, melhora a capacidade de monitoramento de até mesmo uma única molécula [32, 37 , 38]. A nanoescala foi definida aproximadamente como 1–100 nm, que também é equivalente a uma bilionésima parte de um metro. Pode ser facilmente compreendido comparando-o com as dimensões de uma célula bacteriana média, que tem cerca de 1000 nm de diâmetro [39]. O nanomaterial empregado na detecção é chamado de nanossensor, que é construído em escala atômica para a coleta de dados. O nanomaterial é ainda reatribuído em informações que podem ser analisadas para várias aplicações, por exemplo, para ficar de olho em vários portentos físicos e químicos em áreas de difícil abordagem, detectar diferentes produtos químicos de origem biológica em várias organelas celulares e determinar partículas em nanoescala no meio ambiente e na indústria [40, 41]. A presença de até mesmo uma única partícula de vírus e substâncias presentes em concentrações muito baixas pode ser detectada usando nanossensores. Um nanossensor é composto por uma camada bio-sensível que é anexada covalentemente a outro elemento chamado transdutor. A mudança físico-química produzida devido às interações do analito alvo com o bioreceptor é convertida em um sinal elétrico [40].

Nos últimos anos, uma grande quantidade de bio e nanosensores de reconhecimento visual superior têm sido empregados para a detecção de vários compostos a partir de uma vasta gama de amostras. A gama de compostos abrange vários íons metálicos, proteínas, pesticidas, antibióticos para a detecção de microrganismos completos e amplificação e sequenciamento de ácido nucleico [19, 33, 42, 43]. Além do monitoramento do processo de controle agrícola e de resíduos, outras aplicações potenciais da nanotecnologia também surgiram nas últimas duas décadas [44,45,46,47]. Os benefícios imperativos para engajar a nanotecnologia na melhoria do setor agrícola incluem a entrega assistida por nanomateriais de promotores de crescimento [44, 48, 49], nutrição (especialmente micronutrientes) [49, 50], bem como modificações genéticas em plantas [51, 52 ] Além disso, vários pesticidas na forma de nanofungicidas, nanobacteriocidas, bem como nanoinseticidas também foram utilizados [50, 53,54,55]. Além disso, outros benefícios da nanotecnologia incluem remediação baseada em nanomateriais [56], nanoherbicidas [57], bem como usos em bioprocessamento [58], aquicultura [59], tecnologia pós-colheita [60], cuidados veterinários [61], pescas [ 62] e tecnologia de sementes [63]. Todas essas aplicações juntas mostram várias vantagens, como poluição reduzida (principalmente solo e água), redução nos custos relacionados de proteção ambiental e maior eficiência no uso de nutrientes [45, 46, 50, 56, 64,65,66,67,68] ( Fig. 3). Dados os fatos acima mencionados, a presente revisão tem como objetivo o emprego de diferentes tipos de nanosensores em diferentes agroecossistemas para revelar diferentes componentes juntamente com a detecção de alguns componentes estranhos que invadem os agroecossistemas naturais.

Diversas aplicações da nanotecnologia no setor agrícola

Nanosensores para detecção de pesticidas

Os pesticidas encontram amplas aplicações em sistemas agrícolas para evitar, regular ou abolir pragas, insetos, ervas daninhas e fungos para aumentar a produtividade dos agroecossistemas [69]. O uso de pesticidas está em um aumento perpétuo e eles podem garantir quase um terço dos produtos agrícolas globais [70]. Porém, o uso indiscriminado de agrotóxicos em condições de campo contaminou o lençol freático e marcou seu acúmulo nos recursos alimentares, afetando gravemente também espécies não-alvo como seres humanos e animais (Fig. 4). A exposição de humanos a pesticidas pode afetar a saúde de diversas maneiras e os consequentes efeitos sobre a saúde produzidos podem variar de mutagenicidade, neurotoxicidade, carcinogenicidade e genotoxicidade [71, 72]. Alguns pesticidas, como os organofosforados, acumulam-se nos corpos dos animais, mesmo com sua aplicação em pequena concentração, e a exposição a concentrações mais altas leva à inibição de enzimas como a acetilcolinesterase, que conferem graves riscos à saúde humana [73]. Portanto, para garantir a segurança alimentar, o desenvolvimento de métodos superiores de detecção de resíduos de pesticidas é muito importante.

Efeitos adversos dos pesticidas na saúde humana

Embora várias abordagens estejam sendo usadas há muito tempo para a detecção de resíduos de pesticidas, como cromatografia líquida de alto desempenho, ensaios colorimétricos, ensaio imunoenzimático, cromatografia líquida / gasosa-espectrometria de massa, eletroforese e procedimentos de ensaio fluorimétrico [8 , 74,75,76,77,78,79]. No entanto, a maioria dessas técnicas são ensaios de sinal único que requerem aparelhos caros, operadores profissionais e pré-tratamento complexo das amostras, enquanto algumas são mesmo sujeitas a variações nas condições ambientais [80, 81]. Portanto, tais medidas de detecção não são adequadas para a detecção local de pesticidas residuais. Além disso, eles também não são considerados apropriados para detecção em tempo real, o que restringe seu uso em casos de emergência [82]. Consequentemente, os métodos de detecção que empregam vários sinais aumentam a confiabilidade e a conveniência da análise. Por exemplo, métodos que visam uma combinação de um método fluorimétrico de multissinais com ensaios colorimétricos são capazes de contornar a influência do fundo em estruturas multifacetadas e complementar a detecção a olho nu em diferentes solicitações práticas [83]. Portanto, concentrar mais esforços na avaliação de diferentes abordagens para a detecção de pesticidas de forma rápida, simplista, seletiva, delicada, precisa e compreensível levou ao desenvolvimento de sensores ópticos para detecção de resíduos de pesticidas [80].

Numerosas estratégias ópticas já foram reconhecidas para a detecção de pesticidas que exploraram elementos de reconhecimento como enzimas, anticorpos, polímeros impressos molecularmente, aptâmeros e reconhecedores de hospedeiro-convidado. Tais abordagens podem reconhecer e detectar firmemente a partícula de pesticida particular [81, 84,85,86,87,88]. Além disso, o acoplamento de componentes de reconhecimento com os nanomateriais resulta em maiores níveis de sensibilidade e tremenda especificidade para implantação instantânea, que é um requisito principal para detecção rápida e eficaz de pesticidas [82]. Portanto, a busca por um método rápido, sensível, específico, preciso e fácil de operar para detectar pesticidas residuais resultou na implantação de nanosensores como um substituto preeminente aos métodos convencionais devido à sua relação custo-benefício, compactação, facilidade de transporte, sensibilidade extraordinária e um menor tempo de detecção [89] (Fig. 1).

Em geral, um sensor óptico é composto por um elemento de reconhecimento que é específico para a partícula de pesticida residual particular e pode interagir com o outro constituinte, o transdutor, que é empregado para produzir o sinal para a ligação de um resíduo de pesticida particular ao sensor . Os componentes de reconhecimento que são compostos de enzimas, anticorpos, polímeros com impressão molecular, aptâmeros e reconhecedores hospedeiro-convidado estão atraindo a consideração da comunidade científica para melhorar o desempenho diagnóstico de qualquer sensor. As sondas ópticas entrincheiradas predominantes podem ser categorizadas em quatro tipos com base nos formatos de saída do sinal. São sensores ópticos de fluorescência (FL), colorimétricos (CL), espalhamento Raman intensificado por superfície (SERS) e ressonância plasmônica de superfície (SPR) [90].

Outro tipo de nanossensores amplamente conhecido são os nanossensores de faixa imunocromatográfica (ICTS) que são amplamente credenciados em dispositivos analíticos de ponto de atendimento [91]. Os ensaios imunocromatográficos também foram relatados por seu envolvimento no monitoramento de agroecossistemas devido ao seu comportamento de teste no local de atendimento. Por exemplo, uma estratégia de leitura colorimétrica visível foi adotada no ensaio imunocromatográfico relatado para a detecção de culturas GM, que apenas forneceu uma resposta sim / não e muitas vezes sofreu de sensibilidade insuficiente [92,93,94]. Da mesma forma, os sensores ICTS baseados em nanopartículas de ouro também foram relatados como possuindo baixa sensibilidade de detecção, devido à produção de densidade de cor relativamente mais fraca, o que limita sua aplicação [95, 96]. No entanto, sua sensibilidade pode ser melhorada por várias estratégias de amplificação propostas, como aumentar a intensidade do sinal de detecção, aumentar a afinidade do reagente, otimizar as técnicas de marcação e alterar as formas dos dispositivos de tira [96]. Portanto, os nanosensores ICTS aprimorados também podem provar ser uma ferramenta economicamente viável para a detecção de resíduos de pesticidas em agroecossistemas.

O amálgama da nanotecnologia com diferentes abordagens eletroquímicas compromete uma área de superfície operacional superior para o sensor, juntamente com uma verificação decente no microambiente do eletrodo. As nanopartículas devem propriedades divergentes e numerosas, portanto, possuem o potencial de desempenhar funções múltiplas nas estruturas de detecção baseadas em fenômenos eletroquímicos, por exemplo, catalisar as reações eletroquímicas, aumentar a transferência de elétrons, marcar e atuar como um reagente [97]. Portanto, os nanossensores eletroquímicos parecem ser uma ferramenta eficaz para a detecção de pesticidas. Recentemente, biossensores eletroquímicos que foram baseados principalmente na enzima colinesterase apareceram como dispositivos propícios para detectar partículas pesticidas residuais especialmente pertencentes à classe carbamatos e organofosfatos atribuíveis à sua grande perceptividade, escolha e métodos indolores de criação [98, 99]. No entanto, biossensores baseados em enzimas sofrem muitas restrições, incluindo preço alto, atividade diminuída da enzima e reprodutibilidade truncada [100]. Além disso, as enzimas parecem ser inerentemente instáveis e também estão sujeitas à desnaturação em condições ambientais hostis, o que restringe a vida útil dos biossensores, limitando assim suas aplicações práticas [101]. Além disso, uma manifestação de várias impurezas, como a ocorrência de diferentes metais pesados nas amostras de origem biológica, também pode perturbar a seletividade, bem como a sensibilidade da enzima durante a detecção, podendo produzir resultados falso-positivos [102]. Portanto, provoca a necessidade de biossensores eletroquímicos não enzimáticos. Nanomateriais parecem ser concorrentes promissores para formular sensores eletroquímicos não enzimáticos [103]. Várias categorias de nanomateriais compreendendo nanopartículas (por exemplo, CuO, CuO-TiO ₂ , e ZrO ₂ , NiO), nanocompósitos (como nanocompósito de molibdênio) e nanotubos (por exemplo, peptídeo e nanotubos de carbono) são amplamente encontrados para estarem envolvidos na determinação eletroquímica das partículas pesticidas residuais [104,105,106]. A investigação explícita e profunda das partículas residuais de pesticidas por tais nanomateriais é atribuída ao seu tamanho extremamente pequeno, maior área de superfície e a posse de propriedades elétricas e químicas inimitáveis [70].

A sensibilidade, bem como a seletividade de vários nanosensores para pesticidas definidos, foi relatada em vários estudos (Tabela 1), por exemplo, os dois sensores ópticos diferentes baseados em nanodendritos de prata e nanopartículas de conversão ascendente foram encontrados para detectar os pesticidas dimetoato e metribuzina em os níveis de 0,002 ppm e 6,8 × 10 ⁻⁸ M, respectivamente [107, 108]. Da mesma forma, o nanossensor eletroquímico aterrado usando nanopartículas de CuO decoradas com nanocompósito de grafeno 3D detectou malatião no nível de 0,01 nM [109], enquanto o aptasensor eletroquímico fabricado através de nanocompósito de óxido de quitosana-ferro detectou malatião com uma sensibilidade surpreendente de 0,001 ng / mL [110] .

Nanosensores para detecção de metais pesados

A existência de diversos íons de heavy metal como Pb ²⁺ , Hg ²⁺ , Ag ⁺ , Cd ²⁺ e Cu ²⁺ de diferentes recursos tem uma influência precária sobre os seres humanos, bem como seu entorno. O acréscimo de metais pesados em diferentes ambientes é apoiado pelo impulso ininterrupto nas realizações agrícolas e industriais, juntamente com a descarga inadequada de íons de metais pesados de águas residuais e emissões domésticas [111]. Portanto, para garantir a segurança do meio ambiente junto com a análise de saúde, a descoberta de íons de metais pesados vestígios por meio de práticas proficientes é extremamente desejada. A apreensão de metais pesados pode ser realizada explorando vários sistemas analíticos [112], por exemplo, espectrometria de fluorescência de raios-X (XRF), espectrometria de absorção atômica (AAS), espectrometria de emissão atômica (AES) e espectrometria de massa de plasma indutivamente acoplado ( ICP-MS), mas sua aplicação sofre muitas limitações, como abundância de dispositivos, métodos demorados e intensidade de trabalho. Portanto, para orientar essas restrições, vários tipos de estratagemas ópticos, eletroquímicos e colorimétricos foram exaustivamente examinados (Tabela 2) para inventar planos modestos e lucrativos para apreender a exploração delicada, apressada e criteriosa de íons de metais pesados [113, 114].

Sensores químicos ópticos que são frequentemente direcionados para detecção de metais pesados se encaixam em um grupo de sensores químicos que empregam principalmente radiação eletromagnética para gerar um sinal de diagnóstico em um elemento conhecido como elemento de transdução. As interações entre a amostra e a radiação mudam uma consideração óptica específica que pode ser relacionada à concentração de um analito [115, 116]. Por exemplo, o nanosensor óptico sintetizado usando pontos quânticos nanohíbridos CdSe para a detecção de cádmio restaurou sua fotoluminescência verde na sensação do cádmio metálico [117]. Os sensores químicos ópticos funcionam com base no princípio de variações aparentes nas propriedades ópticas (emissão, absorção, transmissão, vida útil, etc.) que aparecem como resultado da ligação do indicador preso (corante orgânico) com o analito [118]. A abordagem da nanotecnologia baseada em grafeno atraente embarca como uma ferramenta atribuível que incapacita tais desafios e lega a plataforma de detecção com desempenho aprimorado. As técnicas ópticas predominantemente baseadas em nanomateriais de origem do grafeno foram avançadas nos últimos tempos como uma das práticas estimulantes para a detecção de íons de metais pesados devido às prováveis eminências de sua construção mansa e apreciação senciente de alguns íons de metal distintos [116].

As nobres nanopartículas como Ag, Au, Pd são dotadas de uma característica única de imitar a atividade da peroxidase, e sua congregação com grafeno aumenta sua robustez junto com um desempenho catalítico superior. Há uma magnitude diversa de sensores preocupados com a detecção de vários íons de metais pesados com base neste recurso. A hibridização de óxido de grafeno com nanopartículas de prata resultou em nanohíbridos que mimetizam a atividade da enzima peroxidase e foram ainda capazes de discriminar entre moléculas de DNA de fita simples e dupla. Portanto, fazendo a detecção calorimétrica de Pb ²⁺ e Hg ²⁺ adequado com base na mudança provocada por íons de metal na conformação do DNA porque a conformação foi alterada em um arranjo quádruplo ou um conjunto semelhante a um grampo de cabelo em sua ocorrência [119, 120]. Além disso, tais abordagens colorimétricas são vantajosas devido à sua operação simples, instrumentação economicamente viável, transportável e aplicações fáceis de usar. Os quimiossensores para detecção de metais pesados são considerados problemáticos para a eliminação das espécies objetivas, pois resultariam em poluição secundária. Portanto, a integração da funcionalidade fluorescente e magnética em uma única partícula nanocompósita parece ser um substituto capaz [121]. No entanto, a manifestação das nanopartículas magnéticas extingue fortemente a fotoluminescência da fração fluorescente, constituindo assim um sério desafio para o desenvolvimento de tais tipos de nanocompósitos. Portanto, para orientar essa preocupação, inúmeras interações que acontecem no nível molecular, como interações hidrofóbicas e eletrostáticas, ligações de hidrogênio e ligações covalentes são frequentemente direcionadas para a síntese de nanocompósitos. Por exemplo, os pontos quânticos colocados na parte rasa da camada de polímero Fe ₂ O ₃ glóbulos, empregando as abordagens da química do tiol. As nanopartículas de ouro presas na superfície de vários materiais, incluindo Fe ₂ O ₃ nanopartículas e as microesferas de sílica que empregam conexões eletrostáticas também foram sintetizadas [122, 123].

A abordagem de sintetizar nanosensores multimodais usando princípios da nanoquímica é bastante mais atraente, pois não apenas detecta com eficiência, mas também remove os íons de metais pesados no meio aquoso. O nanossensor multimodal sintetizado por Satapathi et al. [124] através da prática de produção em várias etapas, envolveu uma fina camada de sílica que encapsulou o magnético (Fe ₂ O ₃ ) nanopartículas, um braço espaçador imóvel e um ponto quântico fluorescente destinado ao reconhecimento coincidente, bem como à eliminação do íon mercúrio manchado. A sensibilidade excepcional deste nanossensor pode ser marcada por sua capacidade de detectar Hg ²⁺ no nível nanomolar com um limite de detecção de apenas 1 nm. O aspecto ecológico do nanosensor pode ser defendido pelo atributo exclusivo de remover o analito detectado usando uma barra magnética externa, portanto, não deixando sobras como poluente. Vários compostos são usados para estabilizar nanossensores, como polissacarídeos, citratos, diferentes polímeros e proteínas para melhorar os atributos dos nanossensores [125]. As nanopartículas de prata estabilizadas com epicatequina podem ser usadas para detecção criteriosa de Pb ²⁺ , isso também, na ocorrência de diferentes íons metálicos de espionagem. O baixo limite de detecção, fácil síntese, admirável discernimento e produção econômica, fazem do ECAgNPs, um potente sensor destinado à verificação repetitiva de Pb ²⁺ intensidades nos modelos ecológicos [126]. O emprego de pontos quânticos oferece vantagens notáveis em termos de seus atributos fotofísicos, bem como químicos, tornando os sensores baseados em pontos quânticos fluorescentes uma ferramenta eficiente para detectar vários íons metálicos [127, 128]. No entanto, a principal desvantagem do emprego de pontos quânticos é sua separação e recuperação em aplicações práticas, o que é uma tarefa imoderada, trabalhosa e tediosa. No entanto, a introdução de nanomateriais magnéticos (Fe ₃ O ₄ ) nos sensores de fluorescência baseados em pontos quânticos resolve este problema e oferece várias vantagens adicionais devido à sua alta área de superfície específica, propriedades magnéticas especiais, operabilidade magnética e baixa toxicidade. Yang et al. [128] estabeleceu nanopartículas magnéticas fluorescentes multifuncionais aterradas na carboximetilquitosana amalgamada com pontos quânticos fluorescentes e nanomateriais magnéticos que poderiam detectar e separar Hg ²⁺ simultaneamente, juntamente com um nível de detecção de 9,1 × 10 ⁻⁸ mol / L. Assim, a metodologia despretensiosa e sofisticada da nanotecnologia oferece uma direção em relação aos dispositivos sensoriais de metais pesados baseados em campo no futuro que agora parece ser uma tarefa difícil, juntamente com várias limitações.

Nanosensors for Detecting Plant Pathogens

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

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

Nanotechnology offers novel prospects for redefining the constraints of human discernment. In the course of evolution, the olfactory system of human beings has got the unique ability to detect volatile organic compounds present at tremendously low concentrations in different complex environments [140]. The great sensitivity and flexibility of human beings to differentiate more than a trillion olfactory stimuli marks olfaction as an encouraging dais for different biotechnological applications [141, 142]. Various effective sensors that primarily function based on olfaction have been proposed for unveiling bacteria. The system of such nanosensors is mainly encompassed of three different constituents:1) surface-functionalized nanoparticles, 2) pro-smell fragments, and 3) enzymes that slice the pro-fragrances for generating the olfactory output. The fine-tuning of these three components offer a delicate sensory system, which allows the rapid detection of bacteria at levels as low as 10² 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 10² 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 /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 Cu²⁺ 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 Cu²⁺ 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 Zn²⁺ íons. Zn²⁺ 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 Zn²⁺ 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 Zn²⁺ ions in the liquid environment. The yellow fluorescence of PLP Lyso-AuNCs displays noteworthy augmentation at 475 nm in the occurrence of Zn²⁺ generating bluish-green fluorescence which is accredited to the complexation-induced accretion of nanoclusters. The developed nanoprobe can detect Zn²⁺ 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 Zn²⁺ ions as well as iron ions (Fe³⁺ ) 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 Zn²⁺ 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.