Revue sur l'application des biocapteurs et des nanocapteurs dans les agroécosystèmes

Introduction

Les dernières décennies ont été témoins de nombreux défis tels que la tension démographique perpétuelle, les conditions climatiques sans cesse fluctuantes, ainsi que le tirage au sort accru pour les ressources, qui ont tous constitué une menace énorme et ainsi provoqué un besoin urgent de garantir la sécurité alimentaire mondiale. Les pratiques agricoles existantes pour répondre aux besoins alimentaires comprennent l'utilisation incontrôlée des ressources, des machines sophistiquées ainsi que l'utilisation croissante et aveugle de produits agrochimiques. Ces pratiques ont conduit à une détérioration importante des ressources en sol, air et eau, ce qui a expressément augmenté les niveaux de pollution dans les environnements agricoles, ce qui a à son tour fortement affecté la santé humaine/animale. L'étendue des effets sur la santé de l'utilisation des pesticides peut être estimée à partir des informations selon lesquelles 26 millions de personnes sont victimes d'empoisonnement aux pesticides chaque année dans le monde, ce qui entraîne environ 220 000 décès par an [1]. De plus, en raison de leur nature persistante, les résidus de pesticides restent dans l'environnement pendant une période de temps prolongée contaminent ainsi le sol et soulèvent ainsi des inquiétudes sur le fonctionnement du sol, la biodiversité et la sécurité alimentaire [2]. De plus, de nombreux rapports sont déjà disponibles sur l'entrée de résidus de pesticides dans la chaîne alimentaire suivie de leur accumulation dans le corps des consommateurs, ce qui entraîne en outre de graves problèmes de santé. Les pesticides sont également connus pour être cytotoxiques et cancérigènes par nature [3,4,5,6]. Ils peuvent également induire divers troubles nerveux et médullaires, l'infertilité, ainsi que des maladies respiratoires et immunologiques [7,8,9,10]. Dès lors, la surveillance des résidus de pesticides dans l'environnement devient une préoccupation impérative. De plus, la surveillance régulière de ces pesticides résiduels fournira également des informations sur leur présence dans ou au-delà des limites acceptables [11].

Un autre défi important auquel sont confrontés les agroécosystèmes est la persistance de métaux lourds mortels comprenant le cadmium, le mercure, le cuivre, le zinc, le nickel, le plomb et le chrome, car ils sont tenus pour responsables de dommages prolongés et importants à divers systèmes biotiques en perturbant les actions biologiques à au niveau cellulaire [12, 13], par exemple, via la perturbation de la photosynthèse, la perturbation de l'absorption minérale, l'interruption de la chaîne de transport d'électrons, l'induction de la peroxydation lipidique, la perturbation du métabolisme des éléments essentiels, l'induction du stress oxydatif et en endommageant la plante organes comme la racine, les feuilles et d'autres composants cellulaires [14,15,16]. Certes, leur présence naturelle dans la croûte terrestre est un fait indéniable mais les activités anthropiques incontrôlées ont perturbé le cycle géochimique et l'équilibre biochimique de ces éléments dans une mesure remarquable. Cela a entraîné une prévalence accrue de ces métaux dans différentes parties de la plante. Ensemble, tous les risques posés par la présence et la prévalence des métaux lourds dans divers écosystèmes soulignent la nécessité de développer des systèmes pour les détecter même à de faibles concentrations dans les échantillons environnementaux [17].

À l'heure actuelle, diverses méthodes disponibles pour surveiller les agroécosystèmes comprennent la chromatographie en phase gazeuse, la chromatographie liquide à haute performance, la spectroscopie de masse, etc. (Fig. 1). Toutes ces techniques permettent de détecter et de quantifier facilement les contaminants dans l'environnement ainsi que dans les échantillons agricoles. Au contraire, la sensibilité, la spécificité et la reproductibilité de telles mesures sont incontestables, mais le déploiement de ces méthodes est principalement limité par leur temps, leur coût élevé et la nécessité d'appareils sophistiqués et de personnel qualifié [8]. Par conséquent, il existe un besoin impénétrable de méthodes modestes, rapides et économiquement viables pour surveiller ces contaminants agricoles [18,19,20]. Les nanocapteurs sont des dispositifs à éléments nanométriques conçus pour identifier une molécule particulière, un composant biologique ou des circonstances environnementales. Ces capteurs sont très spécifiques, pratiques, économiques et détectent à un niveau bien inférieur à celui de leurs analogues à grande échelle. Le fonctionnement typique d'un nanocapteur contient trois éléments de base :

1. 1.

   Préparation de l'échantillon :Il peut s'agir d'une suspension homogène ou complexe de gaz, liquide ou solide. La préparation des échantillons de l'agroécosystème est très difficile en raison des impuretés et des interférences. L'échantillon contient des molécules spécifiques, des groupes fonctionnels de molécules ou d'organismes, que les capteurs peuvent cibler. Ces molécules/organismes ciblés appelés analyte et pourraient être des molécules (colorants/colorants, toxiques, pesticides, hormones, antibiotiques, vitamines, etc.), des biomolécules (enzymes, ADN/ARN, allergènes, etc.), des ions (métaux, halogènes, tensioactifs, etc.), gaz/vapeur (oxygène, dioxyde de carbone, composés volatils, vapeurs d'eau, etc.), organismes (bactéries, champignons, virus) et environnement (humidité, température, lumière, pH, météo, etc. )

2. 2.

   Reconnaissance :Certaines molécules/éléments reconnaissent les analytes dans l'échantillon. Ces molécules de reconnaissance sont des anticorps, des aptamères, des enzymes de légendes chimiques, etc., et présentent une affinité, une spécificité et des caractéristiques sélectives élevées pour leurs analytes afin de les quantifier à des niveaux d'acceptation.

3. 3.

   Transduction du signal :certaines méthodes de transduction du signal ont classé ces dispositifs modestes en différents types tels que les biocapteurs optiques, électrochimiques, piézoélectriques, pyroélectriques, électroniques et gravimétriques. Ils convertissent les événements de reconnaissance en signaux calculables qui sont ensuite traités pour produire les données (Fig. 2).

Représentation schématique mettant en évidence les différences entre les technologies de surveillance traditionnelles et avancées

Représentation simplifiée illustrant la composante des nanocapteurs pour la surveillance des agroécosystèmes

Les interventions nanotechnologiques positionnent le stimulus pour transfigurer les diverses zones de diagnostic comme la santé, les médicaments, l'alimentation, l'environnement, ainsi que le secteur agricole, faisant ainsi passer les caractéristiques spéculatives en résultats pratiques [21,22,23,24, 25,26,27,28]. La nanotechnologie joue un rôle important dans l'avancement de nombreuses méthodologies de diagnostic en dotant l'humanité d'outils contemporains comprenant des capteurs établis sur des bio-techniques, des installations médicales à base de nano, ainsi que la bio-photonique qui simplifie la détection des pesticides, des résidus de médicaments, des aliments. micro-organismes pathogènes transmis, contaminants toxiques et ions de métaux lourds [24, 29]. Heureusement, le domaine de la nanotechnologie comprend une compréhension couplée à un matériau gouvernant à l'échelle atomique ou moléculaire où la matière dévoile des attributs et des performances distinctifs lorsqu'elle est assimilée à la forme en vrac d'une matière similaire [30]. Actuellement, parmi toutes les approches, un biocapteur est un dispositif d'investigation modeste et compact qui a la capacité de produire des données systématiques définies soit d'une manière quantitative soit sous une forme semi-quantitative en employant un composant de reconnaissance d'origine biologique qui est joint à un unité de transformation du signal [31,32,33]. Le type d'emploi de la méthode de transduction du signal a classé ces dispositifs modestes en différents types tels que les biocapteurs optiques, électrochimiques, piézoélectriques, pyroélectriques, électroniques et gravimétriques [34]. Les progrès récents de la nanotechnologie ont ouvert diverses nouvelles voies pour la conception de biocapteurs [29, 35]. L'hybridation de nanomatériaux avec différentes plateformes de biodétection (nano-biocapteurs) offre un grand nombre d'approches conjointes et polyvalentes pour une sensibilité accrue pour la détection [36] et améliore ainsi la capacité de surveillance même d'une seule molécule [32, 37 , 38]. L'échelle nanométrique a été définie approximativement entre 1 et 100 nm, ce qui équivaut également à un milliardième de mètre. Il peut être facilement compris en le comparant aux dimensions d'une cellule bactérienne moyenne d'environ 1000 nm de diamètre [39]. Le nanomatériau utilisé pour la détection s'appelle un nanocapteur qui est construit à l'échelle atomique pour la collecte de données. Le nanomatériau est ensuite réaffecté en informations qui peuvent être analysées pour plusieurs applications, par exemple, pour garder un œil sur divers présages physiques et chimiques dans des zones difficiles à approcher, détecter différents produits chimiques d'origine biologique dans divers organites cellulaires et déterminer des particules à l'échelle nanométrique. dans l'environnement et l'industrie [40, 41]. La présence d'une seule particule virale et de substances présentes à de très faibles concentrations peut être détectée à l'aide de nanocapteurs. Un nanocapteur est composé d'une couche biosensible qui est attachée de manière covalente à un autre élément appelé transducteur. Le changement physicochimique produit en raison des interactions de l'analyte cible avec le biorécepteur est converti en un signal électrique [40].

Ces dernières années, de nombreux biocapteurs et nanocapteurs de reconnaissance visuelle de qualité supérieure ont été utilisés pour la détection de plusieurs composites à partir d'une vaste gamme d'échantillons. La gamme des composites couvre plusieurs ions métalliques, protéines, pesticides, antibiotiques jusqu'à la détection de micro-organismes complets, et l'amplification et le séquençage des acides nucléiques [19, 33, 42, 43]. Outre la surveillance du processus de contrôle agricole et des résidus, d'autres applications potentielles de la nanotechnologie ont également été mises en évidence au cours des deux dernières décennies [44,45,46,47]. Les avantages impératifs de l'engagement des nanotechnologies dans l'amélioration du secteur agricole comprennent la livraison assistée par les nanomatériaux de promoteurs de croissance [44, 48, 49], la nutrition (en particulier les micronutriments) [49, 50] ainsi que les modifications génétiques des plantes [51, 52 ]. De plus, divers pesticides sous forme de nanofongicides, de nanobactéricides ainsi que de nanoinsecticides ont également été utilisés [50, 53, 54, 55]. En outre, d'autres avantages de la nanotechnologie incluent la remédiation basée sur les nanomatériaux [56], les nanoherbicides [57] ainsi que les utilisations dans les bioprocédés [58], l'aquaculture [59], la technologie post-récolte [60], les soins vétérinaires [61], la pêche [ 62] et la technologie des semences [63]. Toutes ces applications ensemble présentent divers avantages tels qu'une pollution réduite (principalement des sols et de l'eau), une réduction des coûts liés à la protection de l'environnement et une efficacité accrue de l'utilisation des nutriments [45, 46, 50, 56, 64,65,66,67,68] ( Fig. 3). Compte tenu des faits mentionnés ci-dessus, la présente revue cible l'utilisation de différents types de nanocapteurs dans différents agroécosystèmes pour révéler différents composants ainsi que la détection de certains composants étrangers pénétrant les agroécosystèmes naturels.

Diverses applications de la nanotechnologie dans le secteur agricole

Nanocapteurs pour la détection de pesticides

Les pesticides trouvent de larges applications dans les systèmes agricoles pour éviter, réguler ou éliminer les parasites, les insectes, les mauvaises herbes et les champignons afin d'augmenter la productivité des agroécosystèmes [69]. L'utilisation de pesticides est en constante augmentation et ils pourraient assurer près d'un tiers des produits agricoles mondiaux [70]. Cependant, l'utilisation aveugle de pesticides dans des conditions de terrain a contaminé les eaux souterraines et marqué leur accumulation dans les ressources alimentaires, affectant ainsi sérieusement des espèces non ciblées comme les êtres humains et les animaux (Fig. 4). L'exposition des humains aux pesticides peut affecter la santé de diverses manières et les effets sur la santé qui en découlent peuvent aller de la mutagénicité, de la neurotoxicité, de la cancérogénicité à la génotoxicité [71, 72]. Certains pesticides comme les organophosphorés s'accumulent dans le corps des animaux même avec leur application à une faible concentration et l'exposition à des concentrations plus élevées conduit à l'inhibition d'enzymes comme l'acétylcholinestérase qui présentent de graves risques pour la santé des humains [73]. Par conséquent, pour assurer la sécurité alimentaire, le développement de méthodes supérieures de détection des résidus de pesticides est très important.

Effets indésirables des pesticides sur la santé humaine

Bien que diverses approches soient utilisées depuis très longtemps pour la détection des résidus de pesticides comme la chromatographie liquide à haute performance, les dosages colorimétriques, le dosage immuno-enzymatique, la chromatographie liquide/gazeuse-spectrométrie de masse, l'électrophorèse et les procédures de dosage fluorimétrique [8 , 74,75,76,77,78,79]. Néanmoins, la majorité de ces techniques sont des dosages à signal unique qui nécessitent un appareillage coûteux, des opérateurs professionnels et un prétraitement complexe des échantillons alors que certaines sont même sujettes à des variations des conditions environnementales [80, 81]. Par conséquent, de telles mesures de détection ne conviennent pas à la détection sur site des pesticides résiduels. De plus, ils ne sont pas non plus appropriés pour la détection en temps réel, ce qui limite leur utilisation dans les cas d'urgence [82]. Par conséquent, les méthodes de détection utilisant plusieurs signaux améliorent la fiabilité et la commodité de l'analyse. Par exemple, les méthodes ciblant une combinaison d'une méthode fluorimétrique multi-signaux avec des dosages colorimétriques sont capables de contourner l'influence du bruit de fond dans des structures à multiples facettes et de compléter la détection à l'œil nu dans différentes sollicitations pratiques [83]. Par conséquent, la concentration de plus d'efforts dans l'évaluation de différentes approches pour la détection de pesticides d'une manière rapide, simpliste, sélective, délicate, précise et compréhensible a conduit au développement de capteurs optiques pour détecter les résidus de pesticides [80].

De nombreuses stratégies optiques ont déjà été reconnues pour la détection de pesticides, qui exploitaient des éléments de reconnaissance tels que des enzymes, des anticorps, des polymères à empreinte moléculaire, des aptamères et des dispositifs de reconnaissance hôte-invité. De telles approches peuvent reconnaître et détecter fermement la particule pesticide particulière [81, 84, 85, 86, 87, 88]. De plus, le couplage des composants de reconnaissance avec les nanomatériaux entraîne des niveaux de sensibilité plus élevés et une spécificité énorme pour un déploiement instantané, ce qui est une exigence principale pour une détection rapide et efficace des pesticides [82]. Ainsi, la recherche d'une méthode rapide, sensible, spécifique, précise et facile à utiliser pour détecter les pesticides résiduels a conduit au déploiement de nanocapteurs comme substitut prépondérant aux méthodes conventionnelles en raison de leur rentabilité, leur compacité, leur facilité de transport, sensibilité extraordinaire, et un temps de détection moindre [89] (Fig. 1).

En général, un capteur optique est composé d'un élément de reconnaissance qui est spécifique à la particule de pesticide résiduelle particulière et peut établir un réseau avec l'autre constituant, le transducteur, qui est utilisé pour produire le signal pour la liaison d'un résidu de pesticide particulier au capteur. . Les composants de reconnaissance qui sont composés d'enzymes, d'anticorps, de polymères à empreinte moléculaire, d'aptamères et de reconnaisseurs hôte-invité, attirent l'attention de la communauté scientifique pour améliorer les performances de diagnostic de tout capteur. Les sondes optiques enracinées dominantes pourraient être classées en quatre types en fonction des formats de sortie de signal. Il s'agit de capteurs optiques à fluorescence (FL), colorimétrique (CL), à diffusion Raman amplifiée en surface (SERS) et à résonance plasmonique de surface (SPR) [90].

Un autre type de nanocapteurs largement connus sont les nanocapteurs à bande immunochromatographique (ICTS) qui sont largement accrédités dans les dispositifs analytiques au point de service [91]. Les tests immunochromatographiques ont également été signalés pour leur implication dans la surveillance des agroécosystèmes en raison de leur comportement de test au point de service. Par exemple, une stratégie de lecture colorimétrique visible a été adoptée dans le test immunochromatographique rapporté pour la détection des cultures GM, qui ne fournissait qu'une réponse oui/non et souffrait souvent d'une sensibilité insuffisante [92, 93, 94]. De même, il a également été rapporté que les capteurs ICTS à base de nanoparticules d'or possèdent une faible sensibilité de détection, en raison de la production d'une densité de couleur relativement plus faible, ce qui limite leur application [95, 96]. Cependant, leur sensibilité peut être améliorée par plusieurs stratégies d'amplification proposées, telles que l'augmentation de l'intensité du signal de détection, l'amélioration de l'affinité du réactif, l'optimisation des techniques de marquage et la modification des formes des dispositifs de bande [96]. Par conséquent, les nanocapteurs ICTS améliorés peuvent également s'avérer être un outil économiquement viable pour la détection des résidus de pesticides dans les agroécosystèmes.

L'amalgame de la nanotechnologie avec différentes approches électrochimiques compromet une surface opérationnelle supérieure pour le capteur ainsi qu'un contrôle décent du micro-environnement de l'électrode. Les nanoparticules doivent des propriétés divergentes et nombreuses possèdent ainsi le potentiel de jouer des rôles multiples dans les structures de détection fondées sur des phénomènes électrochimiques, par exemple, catalyser les réactions électrochimiques, améliorer le transfert d'électrons, marquer et agir comme réactif [97]. Par conséquent, les nanocapteurs électrochimiques semblent être un outil efficace destiné à la détection des pesticides. Récemment, des biocapteurs électrochimiques principalement fondés sur l'enzyme cholinestérase sont apparus comme des dispositifs propices à la détection de particules pesticides résiduelles appartenant en particulier à la classe des carbamates et des organophosphates en raison de leur grande perspicacité, de leur choix et de leurs méthodes de création indolores [98, 99]. Néanmoins, les biocapteurs à base d'enzymes subissent de nombreuses restrictions, notamment un prix élevé, une activité réduite de l'enzyme et une reproductibilité tronquée [100]. De plus, les enzymes semblent intrinsèquement instables et sont également sujettes à la dénaturation dans des conditions environnementales hostiles, ce qui restreint la durée de vie des biocapteurs, limitant ainsi leurs applications pratiques [101]. De plus, une manifestation de plusieurs impuretés telles que la présence de différents métaux lourds dans les échantillons d'origine biologique peut également perturber la sélectivité ainsi que la sensibilité de l'enzyme lors de la détection pouvant produire des résultats faussement positifs [102]. Par conséquent, cela provoque le besoin de biocapteurs électrochimiques non enzymatiques. Les nanomatériaux semblent être des candidats prometteurs pour formuler des capteurs électrochimiques non enzymatiques [103]. Diverses catégories de nanomatériaux comprenant des nanoparticules (par exemple, CuO, CuO-TiO₂ , et ZrO₂ , NiO), les nanocomposites (tels que le nanocomposite de molybdène) et les nanotubes (par exemple, les peptides et les nanotubes de carbone) sont largement impliqués dans la détermination électrochimique des particules pesticides résiduelles [104, 105, 106]. L'étude explicite et approfondie des particules pesticides résiduelles par de tels nanomatériaux est attribuable à leur taille extrêmement petite, à leur plus grande surface et à la possession de propriétés électriques et chimiques inimitables [70].

La sensibilité, ainsi que la sélectivité de divers nanocapteurs pour certains pesticides, ont été rapportées dans diverses études (tableau 1). les niveaux de 0,002 ppm et 6,8 × 10 ⁻⁸ M, respectivement [107, 108]. De même, le nanocapteur électrochimique mis à la terre à l'aide de nanoparticules de CuO décorées avec un nanocomposite de graphène 3D a détecté du malathion au niveau de 0,01 nM [109] tandis que l'aptacapteur électrochimique fabriqué à partir d'un nanocomposite d'oxyde de fer chitosan a détecté du malathion à une sensibilité surprenante de 0,001 ng/mL [110] .

Nanocapteurs pour la détection de métaux lourds

L'existence de divers ions de métaux lourds comme Pb ²⁺ , Hg ²⁺ , Ag ⁺ , Cd ²⁺ , et Cu ²⁺ provenant de différentes ressources a une influence précaire sur les êtres humains ainsi que sur leur environnement. L'accrétion de métaux lourds dans différents environnements est soutenue par l'augmentation ininterrompue des réalisations agricoles et industrielles ainsi que par l'évacuation inadéquate des ions de métaux lourds des eaux usées et des émissions domestiques [111]. Par conséquent, pour assurer la sécurité de l'environnement ainsi que l'analyse de la santé, la recherche des traces d'ions de métaux lourds grâce à des pratiques compétentes est extrêmement souhaitée. L'appréhension des métaux lourds peut être accomplie en explorant plusieurs systèmes analytiques [112], par exemple, la spectrométrie de fluorescence X (XRF), la spectrométrie d'absorption atomique (AAS), la spectrométrie d'émission atomique (AES) et la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif ( ICP-MS), mais leur application souffre de nombreuses limitations, telles que la profusion d'appareils, les méthodes chronophages et l'intensité de la main-d'œuvre. Par conséquent, pour guider ces restrictions, de nombreux types de stratagèmes optiques, électrochimiques et colorimétriques ont été minutieusement examinés (tableau 2) pour concevoir des tribunes modestes et lucratives pour appréhender l'exploration délicate, hâtive et judicieuse des ions de métaux lourds [113, 114].

Les capteurs chimiques optiques qui sont fréquemment ciblés pour la détection de métaux lourds s'intègrent dans un groupe de capteurs chimiques qui utilisent principalement un rayonnement électromagnétique pour engendrer un signal de diagnostic dans un élément connu sous le nom d'élément de transduction. Les interactions entre l'échantillon et le rayonnement modifient une considération optique spécifique qui peut être liée à la concentration d'un analyte [115, 116]. Par exemple, le nanocapteur optique synthétisé à l'aide de boîtes quantiques nanohybrides de CdSe pour la détection du cadmium a restitué sa photoluminescence verte sur la sensation du cadmium métal [117]. Les capteurs chimiques optiques fonctionnent sur le principe des variations apparentes des possessions optiques (émission, absorption, transmission, durée de vie, etc.) qui apparaissent à la suite de la liaison de l'indicateur arrêté (colorant organique) avec l'analyte [118]. L'approche de la nanotechnologie séduisante à base de graphène se présente comme un outil attribuable qui neutralise de tels défis et lègue la plate-forme de détection avec des performances améliorées. Les techniques optiques principalement fondées sur des nanomatériaux d'origine graphène ont été avancées ces derniers temps comme l'une des pratiques stimulantes pour la détection des ions de métaux lourds en raison des éminences probables de leur construction douce et de l'appréciation sensible de certains ions métalliques distinctifs [116].

Les nanoparticules nobles comme Ag, Au, Pd sont dotées d'un trait unique d'imitation de l'activité de la peroxydase, et leur congrégation avec du graphène augmente leur robustesse ainsi que des performances catalytiques supérieures. Il existe une diversité de capteurs concernés par la détection de nombreux ions de métaux lourds basés sur cette caractéristique. L'hybridation de l'oxyde de graphène avec des nanoparticules d'argent a donné lieu à des nanohybrides imitant l'activité de l'enzyme peroxydase et ils se sont en outre avérés capables de discriminer les molécules d'ADN double brin et simple brin. Par conséquent, faire la détection calorimétrique de Pb ²⁺ et Hg ²⁺ approprié sur la base du changement provoqué par les ions métalliques dans la conformation de l'ADN, car la conformation a été modifiée soit en un arrangement quadruplex, soit en un assemblage en épingle à cheveux lors de leur apparition [119, 120]. De plus, de telles approches colorimétriques sont avantageuses en raison de leur fonctionnement simple, de leur instrumentation économiquement réalisable et transportable et de leurs applications faciles à utiliser. Les chimiocapteurs pour la détection des métaux lourds s'avèrent gênants pour l'élimination des espèces cibles car ils entraîneraient une pollution secondaire. Par conséquent, l'intégration des fonctionnalités fluorescentes et magnétiques ensemble dans une seule particule nanocomposite semble être un substitut capable [121]. Néanmoins, la manifestation des nanoparticules magnétiques éteint fortement la photoluminescence de la fraction fluorescente, relevant ainsi un défi sérieux vers le développement de tels types de nanocomposites. Par conséquent, pour orienter cette préoccupation, de nombreuses interactions se produisant au niveau moléculaire, telles que les interactions hydrophobes et électrostatiques, les liaisons hydrogène et les liaisons covalentes, sont souvent ciblées pour la synthèse de nanocomposites. Par exemple, les points quantiques placés sur les couches superficielles de Fe₂ O₃ globules en employant les approches de la chimie des thiols. Les nanoparticules d'or arrêtées à la surface de plusieurs matériaux dont Fe₂ O₃ des nanoparticules et des microsphères de silice utilisant des connexions électrostatiques ont également été synthétisées [122, 123].

L'approche consistant à synthétiser des nanocapteurs multimodaux à l'aide des principes de la nanochimie est plutôt plus attrayante car elle non seulement détecte efficacement mais élimine également les ions de métaux lourds dans les milieux aqueux. Le nanocapteur multimodal synthétisé par Satapathi et al. [124] grâce à une pratique de production en plusieurs étapes, impliquait une fine coque de silice qui encapsulait le matériau magnétique (Fe₂ O₃ ) des nanoparticules, un bras espaceur immobile et un point quantique fluorescent destiné à la reconnaissance coïncidente ainsi qu'à l'élimination de l'ion mercure tacheté. La sensibilité exceptionnelle de ce nanocapteur peut être marquée par sa capacité à détecter Hg ²⁺ au niveau nanomolaire avec une limite de détection de seulement 1 nm. L'aspect respectueux de l'environnement du nanocapteur peut être préconisé par l'attribut unique d'éliminer l'analyte détecté en utilisant un barreau magnétique externe, ne laissant ainsi aucun résidu en tant que polluant. Plusieurs composés sont utilisés pour stabiliser les nanocapteurs, tels que les citrates de polysaccharides, différents polymères et protéines pour améliorer les attributs des nanocapteurs [125]. Les nanoparticules d'argent stabilisées à l'épicatéchine peuvent être utilisées pour une détection fine du Pb ²⁺ , cela aussi, dans l'occurrence de différents ions métalliques fouineurs. La faible limite de détection, la synthèse facile, le discernement admirable et la production économique font des ECAgNPs, un capteur puissant destiné à la vérification répétitive de Pb ²⁺ intensités dans les modèles écologiques [126]. L'utilisation de points quantiques offre des avantages remarquables en termes de leurs attributs photophysiques et chimiques, faisant ainsi des capteurs à base de points quantiques fluorescents un outil efficace pour détecter de nombreux ions métalliques [127, 128]. Cependant, l'inconvénient majeur de l'utilisation des points quantiques est leur séparation et leur récupération dans des applications pratiques, ce qui s'avère être une tâche démesurée, laborieuse et fastidieuse. Néanmoins, l'introduction de nanomatériaux magnétiques (Fe₃ O₄ ) dans les capteurs de fluorescence à base de points quantiques résout ce problème et offre plusieurs avantages supplémentaires en raison de leur surface spécifique élevée, de leurs propriétés magnétiques spéciales, de leur opérabilité magnétique et de leur faible toxicité. Yang et al. [128] ont établi des nanoparticules fluorescentes magnétiques multifonctionnelles fondées sur le carboxyméthyl chitosane amalgamé avec des points quantiques fluorescents et des nanomatériaux magnétiques qui pourraient détecter et séparer Hg ²⁺ simultanément avec un niveau de détection de 9,1 × 10 ⁻⁸ mol/L. Ainsi, la méthodologie sans prétention et sophistiquée de la nanotechnologie offre une direction concernant les dispositifs sensoriels de métaux lourds basés sur le terrain à l'avenir qui semble maintenant être une tâche difficile avec diverses limitations.

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.

Disponibilité des données et des matériaux

Not applicable.

Abréviations

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