Ulasan Aplikasi Biosensor dan Nanosensor di Agroekosistem
Abstrak
Dekade sebelumnya telah menyaksikan banyak tantangan yang memicu kebutuhan mendesak untuk memastikan ketahanan pangan global. Proses peningkatan produksi pangan telah membuat ekosistem pertanian menghadapi banyak tantangan seperti masih adanya partikel residu pestisida yang berbeda, akumulasi logam berat, dan kontaminasi partikel unsur beracun yang berdampak negatif terhadap lingkungan pertanian. Masuknya unsur-unsur beracun tersebut ke dalam tubuh manusia melalui produk pertanian menimbulkan berbagai efek kesehatan seperti gangguan saraf dan sumsum tulang, gangguan metabolisme, infertilitas, gangguan fungsi biologis pada tingkat sel, dan penyakit pernapasan dan imunologi. Urgensi untuk memantau agroekosistem dapat dihargai dengan merenungkan 220.000 kematian tahunan yang dilaporkan karena efek toksik dari partikel pestisida residu. Praktik yang diterapkan saat ini untuk memantau agroekosistem bergantung pada teknik seperti kromatografi gas, kromatografi cair kinerja tinggi, spektroskopi massa, dll. yang memiliki banyak kendala, mahal, membosankan dengan protokol yang rumit, menuntut peralatan canggih bersama dengan personel yang terampil. Beberapa dekade terakhir telah menyaksikan perluasan besar ilmu nanoteknologi dan perkembangan ini sebagian besar telah memfasilitasi pengembangan bio dan nanosensor yang sederhana, cepat, dan ekonomis untuk mendeteksi entitas berbeda yang mencemari agroekosistem alami dengan keuntungan tidak berbahaya bagi manusia. kesehatan. Pertumbuhan nanoteknologi telah menawarkan perkembangan pesat bio dan nanosensor untuk mendeteksi beberapa komposit mulai dari beberapa ion logam, protein, pestisida, hingga deteksi mikroorganisme lengkap. Oleh karena itu, tinjauan ini berfokus pada bio dan nanosensor berbeda yang digunakan untuk memantau ekosistem pertanian dan juga mencoba menyoroti faktor yang mempengaruhi implementasinya dari pembuktian konsep hingga tahap komersialisasi.
Pengantar
Beberapa dekade terakhir telah menyaksikan banyak tantangan seperti ketegangan demografis yang terus-menerus, kondisi iklim yang tak henti-hentinya berfluktuasi, serta peningkatan undian untuk sumber daya, yang semuanya telah menimbulkan ancaman yang mengerikan dan dengan demikian memicu kebutuhan mendesak untuk menjamin keamanan pangan global. Praktek pertanian yang ada untuk memenuhi kebutuhan pangan meliputi penggunaan sumber daya yang tidak terkendali, mesin canggih serta penggunaan bahan kimia pertanian yang meningkat dan sembarangan. Praktek-praktek ini telah menyebabkan kerusakan yang signifikan pada tanah, udara, dan sumber daya air, sehingga secara nyata meningkatkan tingkat polusi di lingkungan pertanian, yang pada gilirannya sangat mempengaruhi kesehatan manusia/hewan. Luasnya dampak kesehatan dari penggunaan pestisida dapat diperkirakan dari informasi bahwa setiap tahun 26 juta orang menjadi korban keracunan pestisida secara global yang mengakibatkan sekitar 220.000 kematian setiap tahunnya [1]. Selain itu, karena sifatnya yang persisten, residu pestisida tetap berada di lingkungan untuk jangka waktu yang lama sehingga mencemari tanah dan dengan demikian meningkatkan kekhawatiran tentang fungsi tanah, keanekaragaman hayati, dan keamanan pangan [2]. Apalagi sudah banyak laporan tentang masuknya residu pestisida dalam rantai makanan yang diikuti dengan akumulasinya di tubuh konsumen yang selanjutnya mengakibatkan masalah kesehatan yang parah. Pestisida juga diketahui bersifat sitotoksik dan karsinogenik [3,4,5,6]. Mereka juga dapat menyebabkan berbagai gangguan saraf dan sumsum tulang, infertilitas, serta penyakit pernapasan dan imunologi [7,8,9,10]. Oleh karena itu, pemantauan residu pestisida di lingkungan menjadi suatu keharusan. Selain itu, pemantauan residu pestisida tersebut secara teratur juga akan memberikan informasi tentang apakah kemunculannya berada di dalam atau di luar batas yang dapat diterima [11].
Tantangan penting lainnya yang dihadapi oleh agroekosistem adalah bertahannya logam berat mematikan yang terdiri dari kadmium, merkuri, tembaga, seng, nikel, timbal, dan kromium karena mereka dianggap bertanggung jawab atas kerusakan yang berkepanjangan dan signifikan terhadap berbagai sistem biotik dengan mengganggu tindakan biologis di lingkungan. tingkat sel [12, 13], misalnya, melalui gangguan fotosintesis, gangguan penyerapan mineral, gangguan rantai transpor elektron, induksi peroksidasi lipid, gangguan metabolisme unsur-unsur penting, induksi stres oksidatif dan dengan merusak tanaman. organ seperti akar, daun, dan komponen seluler lainnya [14,15,16]. Jelas, kemunculan alami mereka di kerak bumi adalah fakta yang tidak dapat disangkal, tetapi aktivitas antropogenik yang tidak terkendali telah mengganggu siklus geokimia dan keseimbangan biokimia unsur-unsur ini sampai batas yang luar biasa. Hal ini mengakibatkan peningkatan prevalensi logam tersebut di bagian tanaman yang berbeda. Bersama-sama, semua risiko yang ditimbulkan oleh keberadaan dan prevalensi logam berat di berbagai ekosistem menekankan perlunya mengembangkan sistem untuk merasakannya bahkan pada konsentrasi rendah dalam sampel lingkungan [17].
Saat ini, berbagai metode yang tersedia untuk memantau agroekosistem termasuk kromatografi gas, kromatografi cair kinerja tinggi, spektroskopi massa, dan banyak lagi (Gbr. 1). Semua teknik ini dapat dengan mudah mendeteksi dan mengukur kontaminan di lingkungan serta sampel pertanian. Sebaliknya, sensitivitas, spesifisitas, dan reproduktifitas pengukuran semacam itu tidak dapat disangkal tetapi penerapan metode ini sebagian besar dibatasi oleh konsumsi waktu, biaya tinggi, dan kebutuhan peralatan canggih bersama dengan personel yang terampil [8]. Oleh karena itu, ada kebutuhan yang tak tertembus untuk metode sederhana, cepat, dan ekonomis untuk memantau kontaminan pertanian tersebut [18,19,20]. Nanosensor adalah perangkat elemen skala nano yang direkayasa untuk mengidentifikasi molekul tertentu, komponen biologis, atau keadaan lingkungan. Sensor ini sangat spesifik, praktis, hemat biaya, dan mendeteksi pada tingkat yang jauh lebih rendah dibandingkan dengan analog skala makronya. Operasi perangkat nanosensor tipikal berisi tiga komponen dasar:
1.
Persiapan sampel:Ini bisa berupa suspensi homogen atau kompleks dari gas, cair atau padat. Persiapan sampel agroekosistem sangat menantang karena pengotor dan gangguan. Sampel mengandung molekul tertentu, kelompok fungsional molekul atau organisme, yang dapat ditargetkan oleh sensor. Molekul/organisme yang ditargetkan ini dikenal sebagai analit dan dapat berupa molekul (pewarna/pewarna, racun, pestisida, hormon, antibiotik, vitamin, dll.), biomolekul (enzim, DNA/RNA, alergen, dll.), ion (logam, halogen, surfaktan, dll.), gas/uap (oksigen, karbon dioksida, senyawa volatil, uap air, dll.), organisme (bakteri, jamur, virus) dan lingkungan (kelembaban, suhu, cahaya, pH, cuaca, dll. )
2.
Pengenalan:Molekul/elemen tertentu mengenali analit dalam sampel. Molekul pengenalan ini adalah antibodi, aptamer, enzim legenda kimia, dll., dan memiliki afinitas, spesifisitas, karakteristik selektif yang tinggi terhadap analitnya untuk mengukurnya ke tingkat penerimaan.
3.
Transduksi sinyal:Metode transduksi sinyal tertentu telah mengkategorikan perangkat sederhana ini ke dalam berbagai jenis seperti optik, elektrokimia, piezoelektrik, piroelektrik, elektronik, dan biosensor gravimetri. Mereka mengubah peristiwa pengenalan menjadi sinyal yang dapat dihitung yang diproses lebih lanjut untuk menghasilkan data (Gbr. 2).
Representasi skema yang menyoroti perbedaan antara teknologi pemantauan tradisional dan canggih
Representasi sederhana yang menggambarkan komponen nanosensor untuk memantau agroekosistem
Intervensi nano-teknologi memposisikan stimulus untuk mengubah berbagai zona diagnostik seperti kesehatan, pengobatan, makanan, lingkungan, serta sektor pertanian, dengan demikian, mentransisikan karakteristik spekulatif ke dalam hasil praktis [21,22,23,24, 25,26,27,28]. Nanoteknologi memainkan peran penting dalam kemajuan berbagai metodologi diagnostik dengan memberikan manusia alat-alat kontemporer yang terdiri dari sensor didirikan pada bio-teknik, fasilitas medis berbasis nano, bersama dengan bio-fotonik yang menyederhanakan deteksi pestisida, residu obat, makanan- mikroorganisme patogen ditanggung, kontaminan toksin, dan ion logam berat [24, 29]. Untungnya, arena nanoteknologi terdiri dari pemahaman yang digabungkan dengan materi yang mengatur pada skala atom atau molekul di mana materi mengungkap atribut dan kinerja yang berbeda ketika disamakan dengan bentuk massal materi serupa [30]. Saat ini, di antara semua pendekatan, biosensor adalah perangkat investigasi sederhana dan kompak yang memiliki kemampuan menghasilkan data sistematis tertentu baik secara kuantitatif atau dalam bentuk semi-kuantitatif dengan menggunakan komponen pengenalan asal biologis yang digabungkan ke unit transformasi sinyal [31,32,33]. Jenis penggunaan metode transduksi sinyal telah mengkategorikan perangkat sederhana ini ke dalam berbagai jenis seperti optik, elektrokimia, piezoelektrik, piroelektrik, elektronik, dan biosensor gravimetri [34]. Kemajuan terbaru dalam nanoteknologi telah membuka berbagai cara baru untuk merancang biosensor [29, 35]. Hibridisasi bahan nano dengan daises biosensing yang berbeda (sensor nano-bio) menawarkan banyak pendekatan penggabungan dan multiguna untuk meningkatkan sensitivitas deteksi [36] dan dengan demikian meningkatkan kemampuan dalam pemantauan bahkan untuk satu molekul saja [32, 37 , 38]. Skala nano telah didefinisikan kira-kira sebagai 1–100 nm, yang juga setara dengan sepersejuta bagian meter. Ini dapat dengan mudah dipahami dengan membandingkannya dengan dimensi rata-rata sel bakteri yang berdiameter sekitar 1000 nm [39]. Nanomaterial yang digunakan dalam penginderaan disebut nanosensor yang dibangun pada skala atom untuk pengumpulan data. Nanomaterial selanjutnya dipindahkan ke informasi yang dapat dianalisis untuk beberapa aplikasi, misalnya, untuk mengawasi berbagai tanda fisik dan kimia di daerah yang sulit didekati, mendeteksi bahan kimia yang berbeda dari asal biologis di berbagai organel seluler, dan menentukan partikel skala nano. di lingkungan dan industri [40, 41]. Kehadiran bahkan partikel virus tunggal dan zat yang ada dalam konsentrasi yang sangat rendah dapat dideteksi menggunakan nanosensor. Sebuah nanosensor terdiri dari lapisan bio-sensitif yang melekat secara kovalen ke elemen lain yang disebut transduser. Perubahan fisiokimia yang dihasilkan karena interaksi analit target dengan bioreseptor diubah menjadi sinyal listrik [40].
Dalam beberapa tahun terakhir, banyak bio dan nanosensor pengenalan visual yang unggul telah digunakan untuk mendeteksi beberapa komposit dari sejumlah besar sampel. Kisaran komposit meliputi beberapa ion logam, protein, pestisida, antibiotik hingga deteksi mikroorganisme lengkap, dan amplifikasi dan sekuensing asam nukleat [19, 33, 42, 43]. Selain memantau proses pengendalian pertanian dan residu, aplikasi potensial lainnya dari nanoteknologi juga telah muncul dalam dua dekade terakhir [44,45,46,47]. Manfaat penting untuk melibatkan nanoteknologi dalam peningkatan sektor pertanian termasuk pengiriman promotor pertumbuhan yang dibantu bahan nano [44, 48, 49], nutrisi (terutama mikronutrien) [49, 50] serta modifikasi genetik pada tanaman [51, 52 ]. Selain itu, berbagai pestisida dalam bentuk nanofungisida, nanobakteriosida serta nanoinsektisida juga telah ditemukan untuk digunakan [50, 53,54,55]. Selanjutnya, manfaat lain dari nanoteknologi termasuk remediasi berbasis nanomaterial [56], nanoherbisida [57] serta penggunaan dalam bioproses [58], budidaya [59], teknologi pasca panen [60], perawatan hewan [61], perikanan [ 62], dan teknologi benih [63]. Semua aplikasi ini bersama-sama menunjukkan berbagai keuntungan seperti pengurangan polusi (terutama tanah dan air), pengurangan biaya terkait perlindungan lingkungan, dan peningkatan efisiensi penggunaan nutrisi [45, 46, 50, 56, 64,65,66,67,68] ( Gambar 3). Mengingat fakta yang disebutkan di atas, tinjauan ini menargetkan penggunaan berbagai jenis nanosensor di agroekosistem yang berbeda untuk mengungkapkan komponen yang berbeda bersama dengan deteksi beberapa komponen asing yang mengganggu agroekosistem alami.
Berbagai aplikasi nanoteknologi di sektor pertanian
Nanosensor untuk Deteksi Pestisida
Pestisida menemukan aplikasi luas dalam sistem pertanian untuk penghindaran, pengaturan, atau penghapusan hama, serangga, gulma, dan jamur untuk meningkatkan produktivitas agroekosistem [69]. Penggunaan pestisida terus meningkat dan mereka mungkin mengamankan hampir sepertiga dari produk pertanian global [70]. Namun, penggunaan pestisida secara sembarangan pada kondisi lapangan telah mencemari air tanah dan menandai akumulasinya dalam sumber makanan, sehingga juga berdampak serius pada spesies non-target seperti manusia dan hewan (Gbr. 4). Paparan pestisida pada manusia dapat mempengaruhi kesehatan dalam berbagai cara dan efek kesehatan yang ditimbulkan dapat berkisar dari mutagenisitas, neurotoksisitas, karsinogenisitas hingga genotoksisitas [71, 72]. Beberapa pestisida seperti organofosfat menumpuk di tubuh hewan bahkan dengan aplikasi mereka dalam konsentrasi kecil dan paparan konsentrasi yang lebih tinggi menyebabkan penghambatan enzim seperti asetilkolinesterase yang memberikan risiko kesehatan yang parah bagi manusia [73]. Oleh karena itu, untuk memastikan keamanan pangan, pengembangan metode unggul untuk mendeteksi residu pestisida sangat penting.
Efek buruk pestisida pada kesehatan manusia
Meskipun berbagai pendekatan telah digunakan sejak lama untuk mendeteksi residu pestisida seperti kromatografi cair kinerja tinggi, uji kolorimetri, uji sorben imun terkait-enzim, spektrometri massa kromatografi cair/gas, elektroforesis, dan prosedur uji fluorimetri [8 , 74,75,76,77,78,79]. Namun demikian, sebagian besar teknik ini adalah pengujian sinyal tunggal yang memerlukan peralatan mahal, operator profesional, dan perlakuan awal sampel yang kompleks, sedangkan beberapa bahkan rentan terhadap variasi dalam kondisi lingkungan [80, 81]. Oleh karena itu, langkah-langkah deteksi seperti itu tidak cocok untuk deteksi residu pestisida di tempat. Selain itu, mereka juga tidak sesuai untuk deteksi real-time yang membatasi penggunaannya dalam kasus darurat [82]. Akibatnya, metode deteksi yang menggunakan banyak sinyal meningkatkan keandalan dan kenyamanan analisis. Misalnya, metode yang menargetkan kombinasi metode fluorimetri multi-sinyal dengan uji kolorimetri mampu menghindari pengaruh latar belakang dalam struktur multifaset dan melengkapi penginderaan mata telanjang dalam berbagai permintaan praktis [83]. Oleh karena itu, upaya lebih berkonsentrasi dalam mengevaluasi pendekatan yang berbeda untuk mendeteksi pestisida dengan cara yang cepat, sederhana, selektif, halus, tepat, dan dapat dipahami telah menyebabkan pengembangan sensor optik untuk mendeteksi residu pestisida [80].
Banyak strategi optik telah dikenal untuk deteksi pestisida yang mengeksploitasi elemen pengenalan seperti enzim, antibodi, polimer yang dicetak secara molekuler, aptamers, dan pengenalan tuan rumah-tamu. Pendekatan-pendekatan seperti itu dapat dengan kukuh mengenali dan mendeteksi partikel pestisida tertentu [81, 84,85,86,87,88]. Selanjutnya, penggabungan komponen pengenalan dengan nanomaterial menghasilkan tingkat sensitivitas dan spesifisitas yang lebih besar untuk penyebaran instan, yang merupakan persyaratan utama untuk deteksi pestisida yang cepat dan efektif [82]. Jadi pencarian metode yang cepat, sensitif, spesifik, tepat, dan mudah dioperasikan untuk mendeteksi residu pestisida telah menghasilkan penerapan nanosensor sebagai pengganti unggul metode konvensional karena efektivitas biaya, kekompakan, kemudahan transportasi, sensitivitas yang luar biasa, dan waktu deteksi yang lebih singkat [89] (Gbr. 1).
Secara umum, sensor optik terdiri dari elemen pengenalan yang spesifik untuk partikel residu pestisida tertentu dan dapat berjejaring dengan konstituen lain, transduser, yang digunakan untuk menghasilkan sinyal pengikatan residu pestisida tertentu ke sensor. . Komponen pengenalan yang terdiri dari enzim, antibodi, polimer yang dicetak secara molekuler, aptamers, dan pengenalan tuan rumah-tamu, mencengkeram pertimbangan komunitas ilmiah untuk meningkatkan kinerja diagnostik sensor apa pun. Probe optik tertanam yang berlaku dapat dikategorikan menjadi empat jenis berdasarkan format output sinyal. Ini adalah fluoresensi (FL), kolorimetri (CL), hamburan Raman yang ditingkatkan permukaan (SERS), dan sensor optik resonansi plasmon permukaan (SPR) [90].
Jenis lain dari nanosensor yang dikenal luas adalah nanosensor imunokromatografi strip (ICTS) yang terakreditasi secara luas dalam perangkat analisis titik perawatan [91]. Uji imunokromatografi juga telah dilaporkan atas keterlibatannya dalam memantau agroekosistem karena perilaku pengujian di tempat perawatan. Misalnya, strategi pembacaan kolorimetri yang terlihat diadopsi dalam uji imunokromatografi yang dilaporkan untuk mendeteksi tanaman GM, yang hanya memberikan respons ya/tidak dan sering kali mengalami sensitivitas yang tidak memadai [92,93,94]. Demikian pula, sensor ICTS berbasis nanopartikel emas juga telah dilaporkan memiliki sensitivitas deteksi yang rendah, karena produksi kepadatan warna yang relatif lebih lemah, yang membatasi aplikasinya [95, 96]. Namun, sensitivitasnya dapat ditingkatkan dengan beberapa strategi amplifikasi yang diusulkan seperti menambah intensitas sinyal deteksi, meningkatkan afinitas reagen, mengoptimalkan teknik pelabelan, dan mengubah bentuk perangkat strip [96]. Oleh karena itu, nanosensor ICTS yang ditingkatkan juga dapat terbukti menjadi alat yang ekonomis untuk mendeteksi residu pestisida di agroekosistem.
Penggabungan nanoteknologi dengan pendekatan elektrokimia yang berbeda mengkompromikan area permukaan operasional yang superior ke sensor bersama dengan pemeriksaan yang layak pada lingkungan mikro elektroda. Nanopartikel berutang divergen dan banyak sifat sehingga memiliki potensi untuk memainkan berbagai tujuan dalam struktur penginderaan didasarkan pada fenomena elektrokimia, misalnya, mengkatalisis reaksi elektrokimia, meningkatkan transfer elektron, penandaan, dan melakukan sebagai reaktan [97]. Oleh karena itu, nanosensor elektrokimia tampaknya menjadi alat yang efektif untuk mendeteksi pestisida. Baru-baru ini, biosensor elektrokimia yang terutama didasarkan pada enzim cholinesterase muncul sebagai perangkat menguntungkan dimaksudkan untuk mendeteksi partikel pestisida residu terutama milik kelas karbamat dan organofosfat disebabkan persepsi besar mereka, pilihan, dan metode penciptaan tanpa rasa sakit [98, 99]. Namun demikian, biosensor berbasis enzim mengalami cukup banyak batasan yang terdiri dari harga tinggi, aktivitas enzim yang berkurang, dan reproduktifitas yang terpotong [100]. Selain itu, enzim tampaknya secara inheren tidak stabil dan juga mengalami denaturasi dalam kondisi lingkungan yang tidak bersahabat yang membatasi masa pakai biosensor sehingga membatasi aplikasi praktisnya [101]. Selain itu, manifestasi dari beberapa pengotor seperti terjadinya logam berat yang berbeda dalam sampel asal biologis juga dapat mengganggu selektivitas serta sensitivitas enzim selama deteksi yang dapat menghasilkan hasil positif palsu [102]. Oleh karena itu, memprovokasi kebutuhan untuk biosensor elektrokimia non-enzimatik. Nanomaterials tampaknya menjadi kontestan yang menjanjikan untuk merumuskan sensor elektrokimia non-enzimatik [103]. Berbagai kategori nanomaterial yang terdiri dari nanopartikel (misalnya, CuO, CuO–TiO2 , dan ZrO2 , NiO ), nanokomposit (seperti molibdenum nanokomposit), dan nanotube (misalnya, peptida dan karbon nanotube) secara luas ditemukan terlibat dalam elektrokimia menentukan partikel pestisida residu [104,105,106]. Penyelidikan eksplisit dan mendalam dari partikel pestisida residu oleh nanomaterial tersebut disebabkan oleh ukurannya yang sangat kecil, luas permukaan yang lebih besar, dan kepemilikan sifat listrik serta kimia yang tak ada bandingannya [70].
Sensitivitas, serta selektivitas berbagai nanosensor untuk pestisida tertentu, telah dilaporkan dalam berbagai penelitian (Tabel 1), misalnya, dua sensor optik berbeda yang didasarkan pada nanodendrit perak dan nanopartikel pengubah konversi ditemukan untuk mendeteksi pestisida dimetoat dan metribuzin di tingkat 0,002 ppm dan 6,8 × 10
−8
M, masing-masing [107, 108]. Demikian pula, nanosensor elektrokimia yang diarde menggunakan nanopartikel CuO yang didekorasi dengan nanokomposit graphene 3D mendeteksi malathion pada level 0,01 nM [109] sedangkan aptasensor elektrokimia yang dibuat melalui nanokomposit kitosan-besi oksida mendeteksi malathion pada sensitivitas yang mengejutkan 0,001 ng/mL [110] .
Nanosensor untuk Deteksi Logam Berat
Adanya beragam ion logam berat seperti Pb
2+
, Hg
2+
, Ag
+
, Cd
2+
, dan Cu
2+
dari sumber daya yang berbeda memiliki pengaruh genting pada manusia serta lingkungan mereka. Pertambahan logam berat di lingkungan yang berbeda didukung oleh peningkatan yang tidak terputus dalam pencapaian pertanian dan industri bersama dengan pelepasan ion logam berat yang tidak memadai dari air limbah dan emisi domestik [111]. Oleh karena itu, untuk menjamin keamanan lingkungan serta analisis kesehatan, penggalian ion logam berat melalui praktik yang mahir sangat diinginkan. Pemahaman tentang logam berat dapat dilakukan dengan menjelajahi beberapa sistem analisis [112], misalnya, spektrometri fluoresensi sinar-X (XRF), spektrometri serapan atom (AAS), spektrometri emisi atom (AES), dan spektrometri massa plasma yang digabungkan secara induktif ( ICP-MS) tetapi aplikasinya mengalami banyak keterbatasan seperti kemewahan perangkat, metode yang memakan waktu, dan padat karya. Oleh karena itu, untuk memandu pembatasan ini, berbagai jenis tipu muslihat optik, elektrokimia, dan kolorimetri telah diteliti secara komprehensif (Tabel 2) untuk merancang daises sederhana dan menguntungkan untuk menangkap eksplorasi halus, tergesa-gesa, dan cerdas ion logam berat [113, 114].
Sensor kimia optik yang sering ditargetkan untuk deteksi logam berat masuk ke dalam sekelompok sensor kimia yang terutama menggunakan radiasi elektromagnetik untuk menghasilkan sinyal diagnostik dalam elemen yang dikenal sebagai elemen transduksi. Interaksi antara sampel dan radiasi mengubah pertimbangan optik tertentu yang dapat saling terkait dengan konsentrasi analit [115, 116]. Misalnya, nanosensor optik yang disintesis menggunakan titik kuantum nanohybrid CdSe untuk mendeteksi kadmium mengembalikan fotoluminesensi hijau pada sensasi logam kadmium [117]. Sensor kimia optik bekerja berdasarkan prinsip variasi yang tampak dalam sifat optik (emisi, penyerapan, transmisi, masa pakai, dll.) yang muncul sebagai akibat dari pengikatan indikator yang ditangkap (pewarna organik) dengan analit [118]. Pendekatan nanoteknologi berbasis graphene yang memikat dimulai sebagai alat yang dapat dikaitkan yang melumpuhkan tantangan tersebut dan mewariskan platform penginderaan dengan kinerja yang ditingkatkan. Teknik optik yang sebagian besar didasarkan pada nanomaterial asal grafena telah maju belakangan ini sebagai salah satu praktik yang meriah untuk mendeteksi ion logam berat karena kemungkinan keunggulan konstruksi lemah lembutnya dan apresiasi hidup dari beberapa ion logam khas [116].
Nanopartikel mulia seperti Ag, Au, Pd diberkahi dengan sifat unik meniru aktivitas peroksidase, dan kumpulannya dengan graphene meningkatkan kekokohannya bersama dengan kinerja katalitik yang unggul. Ada beragam sensor yang berkaitan dengan pendeteksian berbagai ion logam berat berdasarkan fitur ini. Hibridisasi grafena oksida dengan nanopartikel perak menghasilkan nanohibrida yang meniru aktivitas enzim peroksidase dan mereka selanjutnya ditemukan dapat membedakan di antara molekul DNA untai ganda dan untai tunggal. Oleh karena itu, membuat deteksi kalorimetri Pb
2+
dan Hg
2+
cocok berdasarkan perubahan yang dipicu ion logam dalam konformasi DNA karena konformasi diubah menjadi susunan quadruplex atau rakitan seperti jepit rambut dalam kemunculannya [119, 120]. Selain itu, pendekatan kolorimetri seperti itu menguntungkan karena operasinya yang sederhana, layak secara ekonomi, instrumentasi yang dapat diangkut, dan aplikasi yang mudah digunakan. Kemosensor untuk mendeteksi logam berat ternyata merepotkan untuk menghilangkan spesies objektif karena akan menghasilkan polusi sekunder. Oleh karena itu, integrasi fungsi fluoresen dan magnetik bersama-sama dalam partikel nanokomposit tunggal tampaknya menjadi pengganti yang mampu [121]. Namun demikian, manifestasi nanopartikel magnetik sangat memadamkan fotoluminesensi dari bagian fluoresen, sehingga meningkatkan tantangan yang tenang terhadap pengembangan jenis nanokomposit semacam itu. Oleh karena itu, untuk mengatasi masalah ini, banyak interaksi yang terjadi pada tingkat molekuler, seperti interaksi hidrofobik dan elektrostatik, ikatan hidrogen, dan ikatan kovalen sering menjadi target sintesis nanokomposit. Misalnya, titik-titik kuantum yang ditempatkan pada lapisan dangkal Fe2 O3 globul dengan menggunakan pendekatan kimia tiol. Nanopartikel emas ditangkap di permukaan beberapa bahan termasuk Fe2 O3 nanopartikel, dan mikrosfer silika yang menggunakan koneksi elektrostatik juga telah disintesis [122, 123].
Pendekatan sintesis nanosensor multimodal menggunakan prinsip-prinsip kimia nano agak lebih menarik karena tidak hanya mendeteksi secara efisien tetapi juga menghilangkan ion logam berat dalam media berair. Nanosensor multimodal disintesis oleh Satapathi et al. [124] melalui praktik produksi bertingkat, memerlukan cangkang silika tipis yang membungkus magnet (Fe2 O3 ) nanopartikel, lengan pengatur jarak yang tidak dapat digerakkan, dan titik kuantum fluoresen yang dimaksudkan untuk pengenalan yang bersamaan serta penghapusan ion merkuri berbintik. Sensitivitas luar biasa dari nanosensor ini dapat ditandai dengan kemampuannya mendeteksi Hg
2+
pada tingkat nanomolar dengan batas deteksi hanya 1 nm. Aspek ramah lingkungan dari nanosensor dapat didukung oleh atribut unik untuk menghilangkan analit yang terdeteksi dengan menggunakan magnet batang eksternal sehingga tidak meninggalkan sisa sebagai polutan. Beberapa senyawa digunakan untuk menstabilkan nanosensor, seperti polisakarida sitrat, polimer yang berbeda, dan protein untuk meningkatkan atribut nanosensor [125]. Nanopartikel perak yang distabilkan dengan epikatekin dapat digunakan untuk deteksi cerdas Pb
2+
, itu juga, dalam terjadinya ion logam pengintaian yang berbeda. Batas deteksi yang rendah, sintesis yang mudah, ketajaman yang mengagumkan, dan produksi yang ekonomis, menjadikan ECAgNPs, sensor kuat yang ditujukan untuk pemeriksaan Pb
2+
berulang-ulang intensitas dalam model ekologi [126]. Penggunaan titik-titik kuantum menawarkan keuntungan luar biasa dalam hal fotofisika serta atribut kimianya, dengan demikian, membuat sensor titik kuantum fluoresen menjadi alat yang efisien untuk merasakan banyak ion logam [127, 128]. Namun, kelemahan utama dengan penggunaan titik-titik kuantum adalah pemisahan dan pemulihannya dalam aplikasi praktis yang kebetulan merupakan tugas yang tidak moderat, melelahkan, dan membosankan. Namun demikian, pengenalan nanomaterial magnetik (Fe3 O4 ) ke dalam sensor fluoresensi berbasis titik kuantum memecahkan masalah ini dan menawarkan beberapa keuntungan tambahan karena luas permukaan spesifiknya yang tinggi, sifat magnetik khusus, pengoperasian magnetik, dan toksisitas rendah. Yang dkk. [128] membuat nanopartikel magnetik-fluoresen multifungsi yang didasarkan pada karboksimetil kitosan yang digabungkan dengan titik-titik kuantum fluoresen dan material nano magnetik yang dapat mendeteksi dan memisahkan Hg
2+
bersamaan dengan tingkat penginderaan 9,1 × 10
−8
perempuan jalang. Dengan demikian, metodologi nanoteknologi yang bersahaja dan canggih menawarkan arahan tentang perangkat sensor logam berat berbasis lapangan di masa depan yang sekarang tampaknya menjadi tugas yang sulit dengan berbagai keterbatasan.
Nanosensors for Detecting Plant Pathogens
The ascertainment, recognition, and assessment of pathogens are vital for scientific elucidation, ecological surveillance, and governing food security. It is imperative for investigative outfits that the delicate element of biological origin, which is a constituent of biological provenance or biomimetic constituent, interacts with the analyte in the examination. There are numerous profound, trustworthy, and swift recognition components, for instance, lectin, phage, aptamers, antibody, bacterial imprint, or cell receptor, which have been described for exposure of bacteria [129]. The most widely used biosensing components for analyzing pathogens are bacterial receptors, antibodies, and lectins. These constituents find wide applications as biosensing components to scrutinize pathogens owing to their adaptability of amalgamation into biosensors [130, 131]. Aptamers, the nucleic acids having only a single strand, are economically feasible and chemically steady, as compared to the recognition elements which are based on the antibodies for detecting bacteria [132]. However, they also pose various disadvantages like batch-to-batch variations, sturdiness in complex materials and they are also comparatively complex to prepare. The approach pointing to ‘chemical nose’ is a recently established equipment for detecting pathogens. It appoints multifarious discriminatory receptors that generate a unique response configuration for every objective, thus permitting their ordering. It functions in a fashion analogous to the working of our intellect of smelling something [133]. This technique involves the training of sensors with competent bacterial samples to establish a reference database. The identification of bacterial pathogens is done by equating them with the reference catalog [134]. Usually, nanoparticle-centered “chemical nose” biosensors necessitate the amendment of the surface of the nanoparticle with several ligands where an individual ligand is liable for a distinctive communication with the objective [133]. The variance in the size, as well as the external make-up of the nanoparticles, is selected in a way that every single set of particles can retort to different classes of bacteria in an inimitable way thereby offers supplementary features to the absorption spectrum.
The addition of nanoparticles to the bacteria leads to the development of aggregates encompassing the bacteria as a result of electrostatic interfaces amid the anionic sections of the bacterial cell walls and cationic cetyltrimethylammonium bromide (CTBr). This process of aggregation promotes a change of color induced by a swing in localized surface plasmon resonance. The color variation is further denoted by procuring an absorption spectrum in the existence of several bacteria [135, 136]. The components of the bacterial cell wall which are responsible for this kind of aggregation are teichoic acids in Gram-positive and lipopolysaccharides and phospholipids in Gram-negative bacteria [137]. These aggregation patterns are unique and are motivated by the occurrence of extracellular polymeric substances on the bacterial surface. These varying aggregation patterns are accountable for offering discernable colorimetric responses. Therefore the “chemical nose” established on nanoparticles could be accomplished to sense blends of varying bacterial species. During infections the “chemical nose” is potent enough to differentiate amid polymicrobial and monomicrobial cases, which facilitates superior effectiveness along with prompting antimicrobial therapy, precluding the requirement of extensive and prolonged testing of the sample [133]. The multichannel nanosensors are highly sensitive and can detect bacterial species even strains present in biofilms within minutes. Li et al. [138] established a multichannel sensor based on gold nanoparticles (AuNPs) and used it to spot and recognize biofilms based on their physicochemical attributes. The sensitivity of the nanosensor can be well advocated by its ability to discriminate amongst six biofilms. Another sensor which was designed based on hydrophobically employed gold nanoparticles by Phillips et al. [139] rapidly recognized three different strains of E. coli . The conjugated polymers bearing negative charge in the sensor systems were eventually replaced by the pathogenic cells which differentially restored the polymer fluorescence.
Nanotechnology offers novel prospects for redefining the constraints of human discernment. In the course of evolution, the olfactory system of human beings has got the unique ability to detect volatile organic compounds present at tremendously low concentrations in different complex environments [140]. The great sensitivity and flexibility of human beings to differentiate more than a trillion olfactory stimuli marks olfaction as an encouraging dais for different biotechnological applications [141, 142]. Various effective sensors that primarily function based on olfaction have been proposed for unveiling bacteria. The system of such nanosensors is mainly encompassed of three different constituents:1) surface-functionalized nanoparticles, 2) pro-smell fragments, and 3) enzymes that slice the pro-fragrances for generating the olfactory output. The fine-tuning of these three components offer a delicate sensory system, which allows the rapid detection of bacteria at levels as low as 10
2
CFU/ML [143]. The introduction of magnetic nanoparticles also enables the separation, purification, and recognition of pathogens under complex environments. The nanomaterial-grounded, ‘enzyme nose’ nanosensor is also a convenient investigative method meant for detecting toxicologically significant targets present in natural samples. Sun et al. [134]designed a unique enzyme nanosensor, which was grounded on the non-covalent centers, for detecting pathogens. The employment of magnetic nanoparticles–urease sensors permitted the profound recognition of bacteria with a precision of 90.7% at the concentration of 10
2
CFU/LL in a very small time of 30 min. Similarly, various other different types of optical, electrochemical, and immunosensors have also been developed for detecting diverse plant pathogenic microorganisms (Table 3). For instance, the optic particle plasmon resonance immunosensor synthesized using gold nanorods effectively detected Cymbidium mosaic virus (CymMV) or Odontoglossum ringspot virus at the concentrations of 48 and 42 pg/mL (Lin et al. 2014) whereas the Fe3 O4 /SiO2 based immunosensor revealed the presence of Tomato ringspot virus , Bean pod mottle virus and Arabis mosaic virus at the concentrations of 10
−4
mg/mL [144]. Therefore, directing the performance of approachable nanomaterials at the molecular scale can be exploited to revise the annotations of humans regarding their environments in a fashion that seems otherwise unmanageable.
Nanosensors for Detection of Other Entities
Amino acids are very crucial molecules required by the living systems as they play a pivotal role of building blocks in the process of protein synthesis [145], vital character for maintenance of redox environments in the cell and extenuating destruction from the toxin and free radicals [146]. The investigative methods for detecting amino acids have been reported, especially by chromatography, chemiluminescence, and electrochemistry [147]. However, the application of existing technologies is greatly restricted by the great expenses and time-consuming steps. Currently, nanomolecular sensors have been established for detecting such molecules owing to their chemical steadiness, bio-compatibility, and easy surface alteration [148, 149]. The employment of gold nanoparticles for biosensing solicitations has been reported in different biological environments. The amine side chain and sulfhydryl (thiol) group of amino acids may perhaps covalently bind with the gold nanoparticles, thereby inducing an accretion of these nanostructures which further results in a color alteration from red to blue on the aggregation of amino thiol molecules [150, 151]. Chaicham et al. [147] developed an optical nanosensor grounded on gold nanoparticles that could detect Cys and Lys at concentrations of 5.88 μM and 16.14 μM, respectively, along with an adequate percentage retrieval of 101–106 in actual samples.
Similarly, other metal ions that are required by living organisms for performing various metabolic functions can be detected by employing different nanosensors. A dual-emission fluorescent probe was developed by Lu et al. [152] for detecting Cu
2+
ions by condensing hydrophobic carbon dots in micelles molded by the auto-assemblage of different amphiphilic polymers. A vigorous, self-accelerating, and magnetic electrochemiluminescence nanosensor which was established on the multi-functionalized CoFe2 O4 MNPs was established for the foremost and later employed for the extremely sensitive as well as discriminating recognition of the target Cu
2+
through click reaction in a quasi-homogeneous system [82]. Gold nanorods are also exploited for sensing Fe (III) ions. Thatai et al. [17] devised highly sensitive gold nanorods using cetyltrimethylammonium bromide as illustrative material for detecting ferric ions along with a surprising sensing level equivalent to 100 ppb. Zinc is another important element, and it occurs in a divalent cationic form as Zn
2+
ions. Zn
2+
ion has the capability of sustaining important activities counting synthesis of DNA and protein, RNA transcription, cell apoptosis, and metalloenzyme regulation [153, 154]. Usually, fluorescent probes are exploited for detecting the Zn
2+
ions in biological systems. The pyridoxal-5′-phosphate (PLP) conjugated lysozyme cocooned gold nanoclusters (Lyso-AuNCs) can also be exploited for the selective and turn-on detection of divalent Zn
2+
ions in the liquid environment. The yellow fluorescence of PLP Lyso-AuNCs displays noteworthy augmentation at 475 nm in the occurrence of Zn
2+
generating bluish-green fluorescence which is accredited to the complexation-induced accretion of nanoclusters. The developed nanoprobe can detect Zn
2+
ions in nanomolar concentrations (39.2 nM) [154]. The dual-emission carbon dots (DCDs) synthesized by Wang et al. [155] can also be exploited for revealing Zn
2+
ions as well as iron ions (Fe
3+
) in different pH environments. The ferric ions could also be detected in an acidic environment along with an amazing sensation level equaling 0.8 µmol/L while Zn
2+
ions could be detected in an alkaline environment along with a detection limit of 1.2 µmol/L.
These days groundwater is used for irrigation and it is also the solitary seedbed of potable water in numerous regions, exclusively in the isolated agronomic sections. The capricious expulsion of numerous contaminants into the environment has expressively deteriorated the eminence of groundwater, thus has significantly threatened environmental safety [156, 157]. Although there are numerous micropollutants, however, the rushing of fluoride in groundwater has stretched out accumulative civic consideration as a result of the grave fluorosis, severe abdominal and renal complications persuaded by the elevated intake of fluoride ion [158]. So, there is a quest to diagnose and unveil hardness as well as the presence of fluoride ions in the ground-water which has expected substantial considerations owing to their significant parts in the different ecological, biological, and chemical processes [157]. Although fluorescent probes which are considered as traditional methods, can be exploited for detecting F
−
, however, the employment of quantum dots, an inorganic nanomaterial, can grab extensive considerations on account of their distinctive optical possessions comprising size-oriented fluorescence, tapered and coherent emission peak with a wide exciting wavelength, and outstanding photo solidity [159, 160]. The creation of a fluorescence resonance energy transmission channel from the carbon dots and the gold nanoparticles appears to be a competent solution for detecting numerous analytes. Therefore, constructing a novel nanosensor via gold nanoparticles and carbon dots for detecting F
−
seems to be a proficient strategy. The hybrid nanosensor assorted with calcium ions has been reported to spot fluoride ions along with a subordinate recognition level parallel to 0.339 ppm [103]. Lu et al. [161] also developed another novel strategy for detecting fluoride, which was grounded on dual ligands coated with perovskite quantum dots, and the recognition level was found to be 3.2 μM.
The agricultural systems also necessitate the diagnosis of various other entities for the smooth functioning and enhanced productivity of the agroecosystems. The detection of other miscellaneous entities has also been facilitated by the employment of nanosensors (Table 3), for instance, the detection of transgenic plants, the presence of aflatoxins, and even the occurrence of wounds in plants. The SPR nanosensor developed using gold nanoparticles detected the Aflatoxin B1 at the concentration of 1.04 pg mL
−1
[162] whereas the SERS-barcoded nanosensor fabricated using the encapsulation of gold nanoparticles with silica followed by the conjugation of oligonucleotide strands effectively detected the presence of Bacillus thuringiensis (Bt) gene-encoded insecticidal proteins in rice plants at 0.1 pg/mL, thereby, clearly advocating the transgenic nature of rice plants [163].
Nanosensors for Detection of Nanoparticles
Nanomaterials can also occur naturally, such as humic acids and clay minerals; extensive human activities can also lead to the incidental synthesis of various nanomaterials in the environment, for instance, diesel oil emanations or by the discharge of welding fumes; or they can also be explicitly concocted to unveil matchless electrical, optical, chemical or physical features [164]. These characteristics are exploited in plenty of consumable merchandise, for instance, medicines, food, cosmetics and suntan lotions, paints, and electronics, as well as processes that directly discharge nanomaterials into the surroundings, such as remediating contaminated environs [165, 166]. Furthermore, the rapid employment of metal nanoparticles in various systems has raised many concerns due to the potential environmental risks posed by them as they are unavoidably lost in the environment throughout the processes meant for their fabrication, conveyance, usage, and dumping [167]. Carbon-based nanomaterials are quite established against degradation and as a result, amass in the surroundings [168]. Nanoparticles, attributable to their greater surface area, find it much easier to bind and adsorb on the cellular surfaces. They harm the cell in several ways, such as, by hindering the protein transport pathway on the membrane, by destroying the permeability of the cell membrane, or by further inhibiting core components of the cell [169]. Currently, an overwhelming figure of the engineered nanoparticles engaged for different ecological and industrial solicitations or molded as by-products of different human deeds are ultimately discharged into soil systems. The usual nanoparticles employed comprise the metal engineered nanoparticles (elemental Fe, Au, Ag, etc.), metal oxides (SiO2 , ZnO, FeO2 , TiO2 , CuO, Al2 O3 , etc.), composite compounds (Co–Zn–Fe oxide), fullerenes (grouping Buckminster fullerenes, nanocones, carbon nanotubes, etc.), quantum dots frequently encrusted with a polymer and other organic polymers (Dinesh et al. 2012). Different plant growth-promoting rhizobacteria (PGPR) like Bacillus subtilis , Pseudomonas aeruginosa , P. fluorescens, and P. putida , and different bacteria involved in soil nitrogen transformations are inhibited to varying degrees on exposure to nanoparticles in aqueous suspensions or pure culture conditions [170]. The nanoparticles grounded on metals copper and iron are alleged to interact with the peroxides existing in the environs thereby engender free radicals that are notorious for their high toxicity to microbes [171]. Therefore, there is a strong need to monitor the different nanoparticles which find an ultimate sink in the soils especially of agroecosystems.
Various techniques can be reconnoitered for sensing nanoparticles, one among them is the usage of microcavity sensors, which, in the form of whispering gallery resonators have acknowledged extensive consideration. Here, the particle binding on the exterior of the microcavity disturbs the optical possessions thereby instigating a resonant wavelength swing with magnitude reliant upon the polarizability of the particle. The measure of the change facilitates surveillance of the binding actions in real-time and is also used to evaluate the particle size [172]. Optical sensing empowered with the extreme sensitivity of single nanoscale entities is sturdily anticipated for solicitations in numerous arenas, for instance, in environmental checking, other than in homeland security. Split-mode microcavity Raman lasers are also highly sensitive optical sensors that can perceive the occurrence of even a single nanoparticle. The presence of nanoparticles is revealed by observing the distinct alterations in the beat frequency of the Raman lasers and the sensing level has been reported to be 20 nm radius of the nanoparticles [138].
Nanotechnology Implementation in an Agroecosystem:Proof-of-Concept to Commercialization
There are hundreds of research articles and studies that are being published every year on nanosensor's application in agriculture. However, very few nanosensors have yet been commercialized for the detection of heavy metals, pesticides, plant-pathogen, and other substances in an agroecosystem. Because these academic outputs are not properly converted/conveyed to commercial or other regulatory platforms. Certain scientific and non-scientific factors hinder these nanosensors from proof-of-concept to fully commercialized products. These factors are scale-up and real-use (technical), validation and compliances (regulatory), management priorities and decisions (political), standardization (legal), cost, demand and IPR protection (economic), safety and security (environmental health and safety) along with several ethical issues. It is necessary to support enthusiastic researchers and institutions for research and development to develop such nanosensors for agroecosystem, product validation, intellectual protection, and their social understanding and implementation. If we consider these factors strategically, it will help in nanosensor product betterment and implementation to agroecosystem. The US-based startup Razzberry developed portable chemical nanosensors to trace real-time chemical changes in water, soil, and the environment. Similarly, Italian startup Nasys invented a metal oxides-based nanosensor to detect air pollution. There are some other startups nGageIT and Tracense, implementing nanosensor technologies to detect biological and Hazardous contaminants in agriculture.
Perspectives and Conclusions
Since times immemorial, agriculture is the main source of food, income as well as employment for mankind around the globe. In the present era, due to upsurge of rapid urbanization and climate inconsistency, precision farming has been flocking significant attention worldwide. In agricultural system, this type of farming has the ability to maximize the crop’s productivity and improve soil quality along with the minimization of the agrochemicals input (such as fertilizers, herbicides, pesticides, etc.). Precision farming is possible through focused monitoring of environmental variables along with the application of the directed action. This type of farming system also employs computers, global satellite positioning systems, sensors, and remote sensing strategies. As a result, the monitoring of extremely confined environmental situations becomes easy. This monitoring even assists in defining the growth of crop plants by accurately ascertaining the nature and site of hitches. Eventually, it also employs smart sensors for providing exact data that grant enriched productivity by serving farmers to make recovery choices in a detailed manner. Among all the sensors, smart nanosensors are very sensitive and judiciously employed devices that have started proving to be an essential tool for advocating agricultural sustainability, in future.
It has been noticed that the use of nanosensors and or biosensors can accelerate agricultural productivity. These real-time sensors can physically monitor temperature, soil health, soil moisture content and even senses the soil microbiological/microenvironment and nutrient status of soils. Interestingly, these sensors have also been able to detect residual pesticides, heavy metals, monitor plant pathogens and quantify fertilizers and toxins. These nanosensors facilitate speedy, quick, reliable, and prior information that even aid in predicting as well as mitigating the crop losses in the agroecosystems. In addition, the use of nanotechnology-based biosensors also assists in accomplishing the concept of sustainable agriculture. It has been observed that the projection of nanosensors and or biosensors as plant diagnostic tools requires improvements regarding their sensitivity and specificity. Additionally, there is a need for quick, reliable, cheap, multiplexed screening to detect a wide range of plant-based bioproducts. Moreover, the development of broad-spectrum nanosensors that can detect multiple entities will also boost in mobilizing technology. It has been suggested that the biosensor efficiency can be improved further by developing super “novel nanomaterials” that will be available in near future. Perhaps in the coming years, the convergence among nanotechnology, agriculture sciences, rhizosphere engineering, and overall plant engineering will lead to the path towards accomplishment of all Sustainable Development Goals 2030 without incurring any fitness cost on mankind safety, economy, natural resources, and environment.
