Eine Übersicht über die Anwendung von Biosensoren und Nanosensoren in Agrarökosystemen

Einführung

In den letzten Jahrzehnten gab es viele Herausforderungen wie die fortwährende demografische Belastung, ständig schwankende klimatische Bedingungen sowie die verschärften Gewinnspiele um die Ressourcen, die alle eine ungeheure Bedrohung darstellten und somit eine dringende Notwendigkeit zur Gewährleistung der globalen Ernährungssicherheit hervorriefen. Zu den bestehenden landwirtschaftlichen Praktiken zur Erfüllung des Nahrungsmittelbedarfs gehören der unkontrollierte Ressourcenverbrauch, ausgeklügelte Maschinen sowie der zunehmende und wahllose Einsatz von Agrochemikalien. Diese Praktiken haben zu einer erheblichen Verschlechterung der Boden-, Luft- und Wasserressourcen geführt und dadurch die Verschmutzung der landwirtschaftlichen Umgebung deutlich erhöht, was sich wiederum stark auf die Gesundheit von Mensch und Tier ausgewirkt hat. Das Ausmaß der gesundheitlichen Auswirkungen des Einsatzes von Pestiziden lässt sich anhand der Informationen abschätzen, dass weltweit jährlich 26 Millionen Menschen Opfer von Pestizidvergiftungen werden, die jährlich etwa 220.000 Todesfälle zur Folge haben [1]. Darüber hinaus verbleiben die Rückstände von Pestiziden aufgrund ihrer Persistenz über einen längeren Zeitraum in der Umwelt, kontaminieren so den Boden und werfen somit Bedenken hinsichtlich der Bodenfunktion, der Biodiversität und der Lebensmittelsicherheit auf [2]. Darüber hinaus gibt es bereits viele Berichte über den Eintrag von Pestizidrückständen in die Nahrungskette, gefolgt von deren Anreicherung im Körper der Verbraucher, die weitere schwerwiegende Gesundheitsprobleme nach sich ziehen. Es ist auch bekannt, dass die Pestizide von Natur aus zytotoxisch und krebserregend sind [3,4,5,6]. Sie können auch verschiedene Nerven- und Knochenmarkserkrankungen, Unfruchtbarkeit sowie Atemwegs- und immunologische Erkrankungen auslösen [7,8,9,10]. Daher wird die Überwachung von Pestizidrückständen in der Umwelt zu einem dringenden Anliegen. Darüber hinaus liefert die regelmäßige Überwachung solcher Pestizidrückstände auch Informationen darüber, ob ihr Vorkommen innerhalb oder außerhalb der akzeptablen Grenzen liegt [11].

Eine weitere wichtige Herausforderung, der sich die Agrarökosysteme gegenübersehen, ist die Persistenz tödlicher Schwermetalle wie Cadmium, Quecksilber, Kupfer, Zink, Nickel, Blei und Chrom, da sie für längere und erhebliche Schäden an verschiedenen biotischen Systemen verantwortlich gemacht werden, indem sie die biologischen Wirkungen bei auf zellulärer Ebene [12, 13], beispielsweise durch Störung der Photosynthese, Störung der Mineralstoffaufnahme, Unterbrechung der Elektronentransportkette, Induktion der Lipidperoxidation, Störung des Stoffwechsels essentieller Elemente, Induktion von oxidativem Stress und durch Schädigung der Pflanze Organe wie Wurzel, Blätter und andere zelluläre Komponenten [14,15,16]. Ihr natürliches Vorkommen in der Erdkruste ist definitiv eine unbestreitbare Tatsache, aber die unkontrollierten anthropogenen Aktivitäten haben den geochemischen Kreislauf und das biochemische Gleichgewicht dieser Elemente in bemerkenswertem Maße gestört. Dies hat zu einer erhöhten Prävalenz solcher Metalle in verschiedenen Pflanzenteilen geführt. Zusammengenommen unterstreichen alle Risiken, die durch das Vorhandensein und die Prävalenz von Schwermetallen in verschiedenen Ökosystemen entstehen, die Notwendigkeit, Systeme zu entwickeln, um sie selbst bei geringen Konzentrationen in Umweltproben zu erfassen [17].

Derzeit stehen verschiedene Methoden zur Überwachung von Agrarökosystemen zur Verfügung, darunter Gaschromatographie, Hochleistungsflüssigkeitschromatographie, Massenspektroskopie und mehr (Abb. 1). All diese Techniken können Schadstoffe in der Umwelt sowie in landwirtschaftlichen Proben leicht erkennen und quantifizieren. Im Gegenteil, die Sensitivität, Spezifität und Reproduzierbarkeit solcher Messungen sind unbestreitbar, der Einsatz dieser Methoden wird jedoch überwiegend durch ihren Zeitaufwand, hohen Kostenaufwand und den Bedarf an hochentwickelten Geräten sowie qualifiziertem Personal eingeschränkt [8]. Daher besteht ein undurchdringlicher Bedarf an bescheidenen, schnellen und wirtschaftlich tragfähigen Methoden zur Überwachung solcher landwirtschaftlicher Schadstoffe [18, 19, 20]. Nanosensoren sind nanoskalige Elementgeräte, die entwickelt wurden, um ein bestimmtes Molekül, eine biologische Komponente oder Umweltbedingungen zu identifizieren. Diese Sensoren sind hochspezifisch, handlich, kostengünstig und detektieren auf einem viel niedrigeren Niveau als ihre Analoga im Makrobereich. Ein typischer Betrieb eines Nanosensorgeräts enthält drei grundlegende Komponenten:

1. 1.

   Probenvorbereitung:Es kann sich um eine homogene oder komplexe Suspension von Gas, Flüssigkeit oder Festkörper handeln. Die Probenvorbereitung von Agrarökosystemen ist aufgrund von Verunreinigungen und Interferenzen sehr schwierig. Die Probe enthält bestimmte Moleküle, funktionelle Gruppen von Molekülen oder Organismen, auf die die Sensoren abzielen können. Diese als Analyt bekannten Zielmoleküle/Organismen können Moleküle (Farbstoffe/Farbstoffe, Giftstoffe, Pestizide, Hormone, Antibiotika, Vitamine usw.), Biomoleküle (Enzyme, DNA/RNA, Allergene usw.), Ionen (Metalle, Halogene, Tenside usw.), Gas/Dampf (Sauerstoff, Kohlendioxid, flüchtige Verbindungen, Wasserdämpfe usw.), Organismen (Bakterien, Pilze, Viren) und Umwelt (Feuchtigkeit, Temperatur, Licht, pH-Wert, Wetter usw.). )

2. 2.

   Erkennung:Bestimmte Moleküle/Elemente erkennen die Analyten in der Probe. Diese Erkennungsmoleküle sind Antikörper, Aptamer, chemische Legendenenzyme usw. und haben eine hohe Affinität, Spezifität und selektive Eigenschaften für ihre Analyten, um sie auf Akzeptanzniveaus zu quantifizieren.

3. 3.

   Signaltransduktion:Bestimmte Signaltransduktionsmethoden haben diese bescheidenen Geräte in verschiedene Typen wie optische, elektrochemische, piezoelektrische, pyroelektrische, elektronische und gravimetrische Biosensoren eingeteilt. Sie wandeln Erkennungsereignisse in berechenbare Signale um, die weiterverarbeitet werden, um die Daten zu erzeugen (Abb. 2).

Schematische Darstellung, die die Unterschiede zwischen traditionellen und fortschrittlichen Überwachungstechnologien hervorhebt

Vereinfachte Darstellung zur Veranschaulichung der Komponente von Nanosensoren zur Überwachung von Agrarökosystemen

Die nanotechnologischen Interventionen setzen den Anstoß, die vielfältigen Bereiche der Diagnostik wie Gesundheit, Medikamente, Lebensmittel, Umwelt sowie den Agrarsektor zu transfigurieren und dabei die spekulativen Eigenschaften in den praktischen Output zu überführen [21,22,23,24, 25,26,27,28]. Die Nanotechnologie spielt eine bedeutende Rolle bei der Weiterentwicklung zahlreicher diagnostischer Methoden, indem sie der Menschheit moderne Werkzeuge zur Verfügung stellt, die auf Biotechniken etablierte Sensoren, nanobasierte medizinische Einrichtungen sowie Biophotonik umfassen, die den Nachweis von Pestiziden, Arzneimittelrückständen, Lebensmittel- übertragenen pathogenen Mikroorganismen, Toxinverunreinigungen und Schwermetallionen [24, 29]. Glücklicherweise umfasst die Arena der Nanotechnologie ein Verständnis, das mit dem beherrschenden Material auf atomarer oder molekularer Ebene verbunden ist, wo Materie charakteristische Eigenschaften und Leistungen enthüllt, wenn sie mit der Massenform ähnlicher Materie gleichgesetzt wird [30]. Derzeit ist ein Biosensor unter allen Ansätzen ein bescheidenes und kompaktes Untersuchungsgerät, das in der Lage ist, eindeutige systematische Daten entweder in quantitativer oder halbquantitativer Form zu erzeugen, indem eine Erkennungskomponente biologischen Ursprungs verwendet wird, die mit a verbunden ist Signaltransformationseinheit [31,32,33]. Die Art der Anwendung der Signaltransduktionsmethode hat diese bescheidenen Geräte in verschiedene Typen wie optische, elektrochemische, piezoelektrische, pyroelektrische, elektronische und gravimetrische Biosensoren eingeteilt [34]. Die jüngsten Fortschritte in der Nanotechnologie haben verschiedene neue Wege für das Design von Biosensoren eröffnet [29, 35]. Die Hybridisierung von Nanomaterialien mit verschiedenen Biosensoriken (Nano-Biosensoren) bietet viele miteinander verbundene und vielseitige Ansätze für eine erhöhte Sensitivität für den Nachweis [36] und verbessert dadurch die Fähigkeit zur Überwachung selbst eines einzelnen Moleküls [32, 37 , 38]. Die Nanoskala wurde ungefähr als 1–100 nm definiert, was auch einem milliardstel Teil eines Meters entspricht. Es kann leicht verstanden werden, wenn man es mit den Abmessungen einer durchschnittlichen Bakterienzelle vergleicht, die einen Durchmesser von etwa 1000 nm hat [39]. Das in der Sensorik verwendete Nanomaterial wird als Nanosensor bezeichnet, der auf atomarer Ebene zur Datenerfassung konstruiert ist. Das Nanomaterial wird weiter in Informationen umgegliedert, die für verschiedene Anwendungen analysiert werden können, um beispielsweise verschiedene physikalische und chemische Vorzeichen in schwer zugänglichen Bereichen im Auge zu behalten, verschiedene Chemikalien biologischen Ursprungs in verschiedenen Zellorganellen zu erkennen und Partikel im Nanobereich zu bestimmen in Umwelt und Industrie [40, 41]. Mit Nanosensoren lässt sich das Vorhandensein auch nur eines einzigen Viruspartikels und in sehr geringen Konzentrationen vorhandener Substanzen nachweisen. Ein Nanosensor besteht aus einer biosensitiven Schicht, die kovalent an ein anderes Element, den sogenannten Transducer, gebunden ist. Die durch die Wechselwirkungen des Zielanalyten mit dem Biorezeptor erzeugte physiochemische Veränderung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt [40].

In den letzten Jahren wurden viele überlegene Bio- und Nanosensoren zur visuellen Erkennung zum Nachweis mehrerer Verbundstoffe aus einer Vielzahl von Proben eingesetzt. Die Palette der Komposite umfasst mehrere Metallionen, Proteine, Pestizide, Antibiotika bis hin zum Nachweis kompletter Mikroorganismen sowie Nukleinsäure-Amplifikation und -Sequenzierung [19, 33, 42, 43]. Neben der Überwachung des landwirtschaftlichen Kontrollprozesses und der Rückstände sind in den letzten zwei Jahrzehnten auch andere potenzielle Anwendungen der Nanotechnologie aufgetaucht [44,45,46,47]. Zu den zwingenden Vorteilen für den Einsatz der Nanotechnologie bei der Verbesserung des Agrarsektors gehören die durch Nanomaterialien unterstützte Abgabe von Wachstumsförderern [44, 48, 49], die Ernährung (insbesondere Mikronährstoffe) [49, 50] sowie genetische Veränderungen in Pflanzen [51, 52 ]. Darüber hinaus wurden auch verschiedene Pestizide in Form von Nanofungiziden, Nanobakteriziden sowie Nanoinsektiziden eingesetzt [50, 53,54,55]. Weitere Vorteile der Nanotechnologie sind die auf Nanomaterialien basierende Sanierung [56], Nanoherbizide [57] sowie Anwendungen in der Bioprozessierung [58], Aquakultur [59], Nacherntetechnik [60], Veterinärmedizin [61], Fischerei [ 62] und Saatguttechnologie [63]. Alle diese Anwendungen zusammen weisen verschiedene Vorteile auf, wie eine geringere Verschmutzung (hauptsächlich Boden und Wasser), eine Reduzierung der damit verbundenen Kosten für den Umweltschutz und eine verbesserte Nährstoffnutzungseffizienz [45, 46, 50, 56, 64, 65, 66, 67, 68] ( Abb. 3). Angesichts der oben genannten Fakten zielt die vorliegende Überprüfung auf den Einsatz verschiedener Arten von Nanosensoren in verschiedenen Agrarökosystemen ab, um verschiedene Komponenten aufzudecken, zusammen mit der Detektion einiger fremder Komponenten, die in die natürlichen Agrarökosysteme eindringen.

Verschiedene Anwendungen der Nanotechnologie in der Landwirtschaft

Nanosensoren für die Pestiziderkennung

Pestizide finden breite Anwendung in landwirtschaftlichen Systemen zur Vermeidung, Regulierung oder Bekämpfung von Schädlingen, Insekten, Unkräutern und Pilzen, um die Produktivität von Agrarökosystemen zu steigern [69]. Der Einsatz von Pestiziden nimmt ständig zu und sie könnten fast ein Drittel der globalen Agrarprodukte sichern [70]. Der wahllose Einsatz von Pestiziden unter Feldbedingungen hat jedoch das Grundwasser verseucht und seine Anreicherung in den Nahrungsressourcen markiert, wodurch auch Nichtzielarten wie Mensch und Tier stark beeinträchtigt wurden (Abb. 4). Die Exposition des Menschen gegenüber Pestiziden kann sich auf vielfältige Weise auf die Gesundheit auswirken und die damit verbundenen gesundheitlichen Auswirkungen können von Mutagenität, Neurotoxizität, Karzinogenität bis hin zu Genotoxizität reichen [71, 72]. Einige Pestizide wie Organophosphate gelangen bereits bei Anwendung in geringer Konzentration in den tierischen Körper, und eine Exposition gegenüber höheren Konzentrationen führt zur Hemmung von Enzymen wie der Acetylcholinesterase, die für den Menschen schwere Gesundheitsrisiken darstellen [73]. Um die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten, ist die Entwicklung überlegener Methoden zum Nachweis von Pestizidrückständen daher sehr wichtig.

Schädliche Auswirkungen von Pestiziden auf die menschliche Gesundheit

Obwohl seit langem verschiedene Ansätze zum Nachweis von Pestizidrückständen verwendet werden, wie Hochleistungsflüssigkeitschromatographie, kolorimetrische Assays, Enzyme-linked Immunosorbent Assay, Flüssigkeits-/Gaschromatographie-Massenspektrometrie, Elektrophorese und fluorimetrische Assayverfahren [8 , 74,75,76,77,78,79]. Dennoch handelt es sich bei den meisten dieser Techniken um Einzelsignal-Assays, die kostspielige Geräte, professionelles Personal und eine komplexe Vorbehandlung der Proben erfordern, während einige sogar anfällig für Schwankungen der Umgebungsbedingungen sind [80, 81]. Daher sind solche Nachweismaßnahmen für den Vor-Ort-Nachweis von Pflanzenschutzmitteln nicht geeignet. Darüber hinaus werden sie auch als nicht geeignet für die Echtzeiterkennung befunden, was ihre Verwendung in Notfällen einschränkt [82]. Folglich verbessern Detektionsverfahren, die mehrere Signale verwenden, die Zuverlässigkeit und den Komfort der Analyse. Beispielsweise können Methoden, die auf eine Kombination einer fluorimetrischen Multisignalmethode mit kolorimetrischen Assays abzielen, den Einfluss des Hintergrunds in facettenreichen Strukturen umgehen und die Wahrnehmung mit bloßem Auge in verschiedenen praktischen Anwendungen ergänzen [83]. Daher hat die Konzentration auf die Evaluierung verschiedener Ansätze zum Nachweis von Pestiziden auf schnelle, einfache, selektive, empfindliche, präzise und verständliche Weise zur Entwicklung optischer Sensoren zum Nachweis von Pestizidrückständen geführt [80].

Für den Nachweis von Pestiziden wurden bereits zahlreiche optische Strategien erkannt, die Erkennungselemente wie Enzyme, Antikörper, molekular geprägte Polymere, Aptamere und Wirt-Gast-Erkenner nutzten. Solche Ansätze können den jeweiligen Pestizidpartikel zuverlässig erkennen und nachweisen [81, 84,85,86,87,88]. Darüber hinaus führt die Kopplung von Erkennungskomponenten mit den Nanomaterialien zu einer höheren Sensitivität und enormen Spezifität für den sofortigen Einsatz, was eine Hauptvoraussetzung für einen schnellen und wirksamen Pestizidnachweis ist [82]. Die Suche nach einer schnellen, empfindlichen, spezifischen, präzisen und einfach zu bedienenden Methode zum Nachweis von Pestizidrückständen hat daher dazu geführt, dass Nanosensoren aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit, Kompaktheit, Transportfreundlichkeit, außergewöhnliche Empfindlichkeit und kürzere Erkennungszeit [89] (Abb. 1).

Im Allgemeinen besteht ein optischer Sensor aus einem Erkennungselement, das spezifisch für den jeweiligen Pestizidrestpartikel ist und sich mit dem anderen Bestandteil, dem Transducer, vernetzen kann, der verwendet wird, um das Signal für die Bindung eines bestimmten Pestizidrückstands an den Sensor zu erzeugen . Die Erkennungskomponenten, die aus Enzymen, Antikörpern, molekular geprägten Polymeren, Aptameren und Wirt-Gast-Erkennern bestehen, ziehen die Überlegungen der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Verbesserung der diagnostischen Leistung jedes Sensors an. Die vorherrschenden fest verankerten optischen Sonden können basierend auf den Signalausgabeformaten in vier Typen eingeteilt werden. Dies sind optische Sensoren für Fluoreszenz (FL), Kolorimetrie (CL), oberflächenverstärkte Raman-Streuung (SERS) und Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) [90].

Eine andere Art von Nanosensoren, die weithin bekannt sind, sind immunchromatographische Streifen-(ICTS)-Nanosensoren, die in Point-of-Care-Analysegeräten allgemein akkreditiert sind [91]. Die immunchromatographischen Assays wurden aufgrund ihres Point-of-Care-Testverhaltens auch für ihre Beteiligung an der Überwachung von Agrarökosystemen berichtet. Zum Beispiel wurde in dem berichteten immunchromatographischen Assay zum Nachweis von gv-Pflanzen eine sichtbare kolorimetrische Auslesestrategie verwendet, die nur eine Ja/Nein-Antwort ergab und oft unter einer unzureichenden Sensitivität litt [92,93,94]. In ähnlicher Weise wurde auch von den auf Goldnanopartikeln basierenden ICTS-Sensoren berichtet, dass sie eine geringe Nachweisempfindlichkeit aufweisen, da eine relativ schwächere Farbdichte erzeugt wird, was ihre Anwendung einschränkt [95, 96]. Ihre Empfindlichkeit kann jedoch durch mehrere vorgeschlagene Amplifikationsstrategien verbessert werden, wie z. B. die Erhöhung der Detektionssignalintensität, die Erhöhung der Affinität des Reagenzes, die Optimierung der Markierungstechniken und die Änderung der Formen von Streifenvorrichtungen [96]. Daher können sich die verbesserten ICTS-Nanosensoren auch als wirtschaftlich tragfähiges Werkzeug für den Nachweis von Pestizidrückständen in Agrarökosystemen erweisen.

Die Verschmelzung der Nanotechnologie mit verschiedenen elektrochemischen Ansätzen kompromittiert eine überlegene Betriebsoberfläche des Sensors zusammen mit einer anständigen Kontrolle der Elektrodenmikroumgebung. Nanopartikel verdanken divergente und zahlreiche Eigenschaften, wodurch sie das Potenzial haben, in Sensorstrukturen, die auf elektrochemischen Phänomenen basieren, mehrere Zwecke zu erfüllen, z. Daher scheinen elektrochemische Nanosensoren ein wirksames Werkzeug zum Nachweis von Pestiziden zu sein. In letzter Zeit erschienen elektrochemische Biosensoren, die hauptsächlich auf dem Enzym Cholinesterase basieren, als günstige Geräte zum Nachweis von Pestizidrückständen, die insbesondere zu den Carbamaten und Organophosphaten gehören, die ihrer großen Wahrnehmungsfähigkeit, Wahlfreiheit und schmerzlosen Herstellungsmethoden zuzuschreiben sind [98, 99]. Dennoch unterliegen enzymbasierte Biosensoren einer Reihe von Restriktionen, die einen hohen Preis, eine verminderte Aktivität des Enzyms und eine verkürzte Reproduzierbarkeit umfassen [100]. Darüber hinaus scheinen Enzyme von Natur aus instabil zu sein und unterliegen auch einer Denaturierung unter feindlichen Umgebungsbedingungen, was die Lebensdauer von Biosensoren einschränkt und damit ihre praktischen Anwendungen einschränkt [101]. Darüber hinaus kann auch das Auftreten mehrerer Verunreinigungen wie das Vorkommen verschiedener Schwermetalle in den Proben biologischen Ursprungs die Selektivität sowie die Sensitivität des Enzyms während des Nachweises stören, was zu falsch positiven Ergebnissen führen kann [102]. Daher provoziert es den Bedarf an nicht-enzymatischen elektrochemischen Biosensoren. Nanomaterialien scheinen vielversprechende Kandidaten für die Formulierung nicht-enzymatischer elektrochemischer Sensoren zu sein [103]. Verschiedene Kategorien von Nanomaterialien mit Nanopartikeln (z. B. CuO, CuO–TiO₂ , und ZrO₂ , NiO), Nanokomposite (wie Molybdän-Nanokomposit) und Nanoröhren (z. B. Peptid- und Kohlenstoff-Nanoröhren) werden häufig bei der elektrochemischen Bestimmung der restlichen Pestizidpartikel eingesetzt [104,105,106]. Die explizite und gründliche Untersuchung der Pestizidrückstände durch solche Nanomaterialien ist auf ihre extrem kleine Größe, größere Oberfläche und den Besitz unnachahmlicher elektrischer sowie chemischer Eigenschaften zurückzuführen [70].

Sowohl die Empfindlichkeit als auch die Selektivität verschiedener Nanosensoren für bestimmte Pestizide wurde in verschiedenen Studien beschrieben (Tabelle 1). So wurde beispielsweise festgestellt, dass die zwei verschiedenen optischen Sensoren, die auf Silber-Nanodendriten und aufkonvertierenden Nanopartikeln basieren, die Pestizide Dimethoat und Metribuzin at . detektieren die Werte von 0,002 ppm und 6,8 × 10 ^–8 M, bzw. [107, 108]. In ähnlicher Weise detektierte der elektrochemische Nanosensor, der mit CuO-Nanopartikeln geerdet wurde, die mit 3D-Graphen-Nanokomposit dekoriert waren, Malathion mit einer Konzentration von 0,01 nM [109], während der elektrochemische Aptasensor, der durch Chitosan-Eisenoxid-Nanokomposit hergestellt wurde, Malathion mit einer überraschenden Empfindlichkeit von 0,001 ng/mL detektierte [110] .

Nanosensoren zum Nachweis von Schwermetallen

Die Existenz verschiedener Schwermetallionen wie Pb ²⁺ , Hg ²⁺ , Ag ⁺ , Cd ²⁺ , und Cu ²⁺ aus unterschiedlichen Ressourcen hat einen prekären Einfluss auf den Menschen sowie auf seine Umwelt. Die Anreicherung von Schwermetallen in verschiedenen Umgebungen wird durch die ununterbrochene Steigerung der landwirtschaftlichen und industriellen Errungenschaften sowie durch die unzureichende Ableitung von Schwermetallionen aus Abwässern und häuslichen Emissionen unterstützt [111]. Um die Sicherheit der Umwelt zusammen mit der Gesundheitsanalyse zu gewährleisten, ist daher das Aufspüren der Spuren von Schwermetallionen durch sachkundige Praktiken äußerst erwünscht. Die Feststellung von Schwermetallen kann durch die Untersuchung mehrerer analytischer Systeme [112] erreicht werden, z. B. Röntgenfluoreszenzspektrometrie (XRF), Atomabsorptionsspektrometrie (AAS), Atomemissionsspektrometrie (AES) und Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma ( ICP-MS), aber ihre Anwendung unterliegt vielen Einschränkungen, wie z. Um diese Beschränkungen zu lenken, wurden daher zahlreiche Arten optischer, elektrochemischer und kolorimetrischer Strategien umfassend untersucht (Tabelle 2), um bescheidene und lukrative Preise für die empfindliche, übereilte und anspruchsvolle Exploration von Schwermetallionen zu erfinden [113, 114].

Optische chemische Sensoren, die häufig auf Schwermetalldetektion ausgerichtet sind, passen in eine Gruppe chemischer Sensoren, die hauptsächlich elektromagnetische Strahlung verwenden, um ein diagnostisches Signal in einem als Transduktionselement bekannten Element zu erzeugen. Die Wechselwirkungen zwischen Probe und Strahlung verändern eine spezifische optische Betrachtung, die mit der Konzentration eines Analyten in Beziehung gesetzt werden kann [115, 116]. Beispielsweise stellte der optische Nanosensor, der unter Verwendung von Nanohybrid-CdSe-Quantenpunkten zum Nachweis von Cadmium synthetisiert wurde, seine grüne Photolumineszenz bei der Wahrnehmung von Cadmiummetall wieder her [117]. Die optisch-chemischen Sensoren arbeiten nach dem Prinzip scheinbarer Variationen der optischen Eigenschaften (Emission, Absorption, Transmission, Lebensdauer usw.), die durch die Bindung des arretierten Indikators (organischer Farbstoff) an den Analyten auftreten [118]. Der Ansatz, Graphen-basierte Nanotechnologie zu verlocken, ist ein geeignetes Werkzeug, das solche Herausforderungen vermeidet und der Sensorplattform eine verbesserte Leistung verleiht. Die optischen Techniken, die hauptsächlich auf Nanomaterialien mit Graphen-Ursprung basieren, wurden in jüngster Zeit als eine der mitreißenden Methoden zum Nachweis von Schwermetallionen aufgrund der wahrscheinlich herausragenden ihrer bescheidenen Konstruktion und der empfindsamen Wahrnehmung einiger charakteristischer Metallionen weiterentwickelt [116].

Die edlen Nanopartikel wie Ag, Au, Pd sind mit einer einzigartigen Eigenschaft ausgestattet, die Peroxidaseaktivität nachzuahmen, und ihre Zusammenlagerung mit Graphen erhöht ihre Robustheit zusammen mit einer überlegenen katalytischen Leistung. Es gibt verschiedenste Sensoren, die sich mit der Detektion zahlreicher Schwermetallionen auf Basis dieser Eigenschaft befassen. Die Hybridisierung von Graphenoxid mit Silbernanopartikeln führte zu Nanohybriden, die die Peroxidase-Enzymaktivität nachahmen, und es wurde außerdem festgestellt, dass sie zwischen doppelsträngigen und einzelsträngigen DNA-Molekülen unterscheiden können. Daher ist der kalorimetrische Nachweis von Pb ²⁺ und Hg ²⁺ geeignet aufgrund der durch Metallionen induzierten Änderung der DNA-Konformation, da die Konformation bei ihrem Auftreten entweder in eine Quadruplex-Anordnung oder eine haarnadelartige Anordnung verändert wurde [119, 120]. Darüber hinaus sind solche kolorimetrischen Ansätze aufgrund ihrer einfachen Bedienung, wirtschaftlich durchführbaren, transportablen Instrumentierung und einfach zu handhabenden Anwendungen von Vorteil. Die Chemosensoren zum Nachweis von Schwermetallen haben sich als problematisch für die Eliminierung der Zielspezies erwiesen, da sie zu einer sekundären Verschmutzung führen würden. Daher scheint die Integration von fluoreszierender und magnetischer Funktionalität zusammen in ein einziges Nanokomposit-Partikel ein geeigneter Ersatz zu sein [121]. Nichtsdestotrotz löscht die Manifestation der magnetischen Nanopartikel die Photolumineszenz der fluoreszierenden Einheit stark aus, was eine ernste Herausforderung für die Entwicklung solcher Nanokomposite darstellt. Um diesem Anliegen Rechnung zu tragen, werden daher häufig zahlreiche Wechselwirkungen auf molekularer Ebene, wie hydrophobe und elektrostatische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen und kovalente Bindungen, für die Nanokompositsynthese angestrebt. Zum Beispiel die Quantenpunkte, die auf der flachen Oberfläche des polymerbeschichteten Fe₂ O₃ Kügelchen durch Anwendung der Ansätze der Thiolchemie. Die Goldnanopartikel haften auf der Oberfläche mehrerer Materialien, darunter Fe₂ O₃ Nanopartikel und die Siliciumdioxid-Mikrokügelchen mit elektrostatischen Verbindungen wurden ebenfalls synthetisiert [122, 123].

Der Ansatz, multimodale Nanosensoren nach Prinzipien der Nanochemie zu synthetisieren, ist eher attraktiv, da er die Schwermetallionen im wässrigen Medium nicht nur effizient detektiert, sondern auch entfernt. Der von Satapathi et al. [124] durch mehrstufige Produktionspraxis eine dünne Siliziumdioxidhülle, die das magnetische (Fe₂ O₃ ) Nanopartikel, ein unbeweglicher Spacerarm und ein fluoreszierender Quantenpunkt, der sowohl für die gleichzeitige Erkennung als auch für die Eliminierung des gefleckten Quecksilberions gedacht ist. Die außergewöhnliche Empfindlichkeit dieses Nanosensors kann durch seine Fähigkeit zum Nachweis von Hg ²⁺ . gekennzeichnet werden auf nanomolarer Ebene mit einer Nachweisgrenze von nur 1 nm. Der umweltfreundliche Aspekt des Nanosensors kann durch die einzigartige Eigenschaft befürwortet werden, den nachgewiesenen Analyten durch Verwendung eines externen Stabmagneten zu entfernen, wodurch keine Schadstoffrückstände zurückbleiben. Zur Stabilisierung von Nanosensoren werden verschiedene Verbindungen wie Polysaccharidcitrate, verschiedene Polymere und Proteine ​​verwendet, um die Eigenschaften der Nanosensoren zu verbessern [125]. Die mit Epicatechin stabilisierten Silbernanopartikel können zum anspruchsvollen Nachweis von Pb ²⁺ . verwendet werden , auch beim Auftreten verschiedener schnüffelnder Metallionen. Die niedrige Nachweisgrenze, die einfache Synthese, das bewundernswerte Unterscheidungsvermögen und die wirtschaftliche Herstellung machen ECAgNPs zu einem potenten Sensor für die wiederholte Überprüfung von Pb ²⁺ Intensitäten in den ökologischen Modellen [126]. Der Einsatz von Quantenpunkten bietet sowohl hinsichtlich ihrer photophysikalischen als auch chemischen Eigenschaften bemerkenswerte Vorteile und macht fluoreszierende Quantenpunkt-basierte Sensoren zu einem effizienten Werkzeug zur Erfassung zahlreicher Metallionen [127, 128]. Der Hauptnachteil bei der Verwendung von Quantenpunkten ist jedoch ihre Trennung und Rückgewinnung in praktischen Anwendungen, was eine unmäßige, mühsame und langwierige Aufgabe ist. Die Einführung magnetischer Nanomaterialien (Fe₃ O₄ ) in die quantenpunktbasierten Fluoreszenzsensoren löst dieses Problem und bietet aufgrund ihrer hohen spezifischen Oberfläche, besonderen magnetischen Eigenschaften, magnetischer Betriebsfähigkeit und geringer Toxizität mehrere zusätzliche Vorteile. Yanget al. [128] etablierten multifunktionale magnetisch-fluoreszierende Nanopartikel, die auf Carboxymethylchitosan geerdet sind, die mit fluoreszierenden Quantenpunkten und magnetischen Nanomaterialien amalgamiert sind und die Hg ²⁺ . detektieren und trennen können gleichzeitig zusammen mit einem Erfassungspegel von 9,1 × 10 ^–8 mol/l. Somit bietet die unprätentiöse und ausgeklügelte Methodik der Nanotechnologie eine Richtung in Bezug auf feldbasierte Schwermetallsensorik in der Zukunft, die jetzt zusammen mit verschiedenen Einschränkungen eine schwierige Aufgabe zu sein scheint.

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. Liet al. [138] established a multichannel sensor based on gold nanoparticles (AuNPs) and used it to spot and recognize biofilms based on their physicochemical attributes. The sensitivity of the nanosensor can be well advocated by its ability to discriminate amongst six biofilms. Another sensor which was designed based on hydrophobically employed gold nanoparticles by Phillips et al. [139] rapidly recognized three different strains of E. coli . The conjugated polymers bearing negative charge in the sensor systems were eventually replaced by the pathogenic cells which differentially restored the polymer fluorescence.

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

Nanosensors for Detection of Other Entities

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

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

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

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

Nanosensors for Detection of Nanoparticles

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

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

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

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

Perspectives and Conclusions

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

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

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Not applicable.

Abkürzungen

AAS:

Atomic absorption spectrometry

AES:

Atomic emission spectrometry

Ag:

Silver

Al₂ O₃ :

Aluminum oxide

Au:

Gold

CdSe:

Cadmium selenide

CL:

Colorimetric

CoFe₂ O₄ :

Cobalt iron oxide

CTBr:

Cationic cetyltrimethylammonium bromide

CuO:

Cupric oxide

DCDs:

Sual-emission carbon dots

FeO₂ :

Iron dioxide

FL:

Fluorescence

ICP-MS:

Inductively coupled plasma mass spectrometry

ICTS:

Immunochromatographic strip

NiO:

Nickel oxide

Pd:

Palladium

PGPR:

Plant growth-promoting rhizobacteria

SERS:

Surface-enhanced Raman scattering

SiO₂ :

Silicon dioxide

SPR:

Surface plasmon resonance

TiO₂ :

Titanium dioxide

XRF:

X-ray fluorescence spectrometry

ZnO:

Zinc oxide

ZrO₂ :

Zirconium dioxide