나노물질
산업 제조
지난 수십 년 동안 세계 식량 안보를 보장해야 하는 절박한 필요성을 불러일으킨 많은 도전 과제가 있었습니다. 식량 생산을 늘리는 과정은 농업 생태계를 다양한 살충제의 잔류 입자 잔류성, 중금속의 부착, 농업 환경에 부정적인 영향을 미치는 독성 원소 입자로 인한 오염과 같은 많은 문제에 직면하게 했습니다. 이러한 독성 요소가 농산물을 통해 인체에 유입되면 신경 및 골수 장애, 대사 장애, 불임, 세포 수준의 생물학적 기능 붕괴, 호흡기 및 면역 질환과 같은 수많은 건강 영향이 발생합니다. 농생태계 모니터링의 시급성은 잔류 살충 입자의 독성 영향으로 인해 보고된 연간 220,000명의 사망자를 고려하여 평가할 수 있습니다. 농업생태계 모니터링에 사용되는 현재 관행은 가스 크로마토그래피, 고성능 액체 크로마토그래피, 질량 분광법 등과 같은 기술에 의존합니다. 여러 제약이 있고, 비싸고, 번거로운 프로토콜로 지루하며, 숙련된 인력과 함께 정교한 기기가 필요합니다. 지난 수십 년 동안 나노기술 과학의 큰 확장을 목격했으며 이러한 발전은 인간에게 무해하다는 이점이 있는 자연 농생태계를 오염시키는 다양한 개체를 감지하기 위한 겸손하고 빠르며 경제적으로 실행 가능한 바이오 및 나노센서의 개발을 크게 촉진했습니다. 건강. 나노기술의 성장은 여러 금속 이온, 단백질, 살충제에서 완전한 미생물의 검출에 이르기까지 다양한 복합 물질의 검출을 위한 바이오 및 나노센서의 급속한 발전을 제공했습니다. 따라서 현재 검토는 농업 생태계 모니터링에 사용되는 다양한 바이오 및 나노 센서에 초점을 맞추고 개념 증명에서 상업화 단계까지 구현에 영향을 미치는 요소를 강조하려고 합니다.
지난 수십 년은 끊임없는 인구통계학적 긴장, 끊임없이 변화하는 기후 조건, 자원에 대한 경품 행사 강화와 같은 많은 도전을 목격했으며, 이 모두는 심각한 위협을 일으키고 이에 따라 세계 식량 안보를 보장해야 하는 절박한 필요성을 불러일으켰습니다. 식량 요구 사항을 충족시키기 위한 기존 농업 관행에는 자원의 통제되지 않은 사용, 정교한 기계, 농약의 무분별한 사용이 포함됩니다. 이러한 관행은 토양, 대기 및 수자원의 심각한 악화를 초래하여 농업 환경의 오염 수준을 명시적으로 상승시켰고, 이는 다시 인간/동물의 건강에 큰 영향을 미쳤습니다. 살충제 사용이 건강에 미치는 영향의 정도는 전 세계적으로 매년 2600만 명이 살충제 중독의 희생자가 되며 이로 인해 연간 약 220,000명이 사망한다는 정보로부터 추정할 수 있습니다[1]. 또한 잔류농약의 잔류성으로 인해 환경에 장기간 잔류하여 토양을 오염시켜 토양의 기능, 생물다양성, 식품안전성에 대한 우려를 불러일으키고 있다[2]. 또한, 식품 사슬에 잔류 농약이 유입된 후 소비자의 신체에 축적되어 심각한 건강 문제를 초래한다는 보고가 이미 많이 있습니다. 살충제는 또한 본질적으로 세포독성 및 발암성으로 알려져 있습니다[3,4,5,6]. 또한 다양한 신경 및 골수 장애, 불임, 호흡기 및 면역 질환을 유발할 수 있습니다[7,8,9,10]. 따라서 환경에서 잔류 농약을 모니터링하는 것은 필수적인 관심사가 되었습니다. 또한, 이러한 잔류 농약을 정기적으로 모니터링하면 잔류 농약의 발생이 허용 한도 이내인지 또는 그 이상인지에 대한 정보도 제공할 것입니다[11].
농업생태계가 직면한 또 다른 중요한 문제는 카드뮴, 수은, 구리, 아연, 니켈, 납 및 크롬을 포함하는 치명적인 중금속이 지속된다는 점입니다. 세포 수준 [12, 13], 예를 들어 광합성 방해, 미네랄 흡수 방해, 전자 전달 사슬 방해, 지질 과산화 유도, 필수 요소 대사 방해, 산화 스트레스 유도 및 식물 손상을 통한 세포 수준 [12, 13] 뿌리, 잎 및 기타 세포 구성 요소와 같은 기관 [14,15,16]. 확실히, 지각에서 자연적으로 발생하는 것은 부인할 수 없는 사실이지만 통제되지 않은 인위적 활동은 이러한 요소의 지구화학적 순환과 생화학적 균형을 현저한 정도로 방해했습니다. 이로 인해 다양한 식물 부분에서 이러한 금속의 보급이 증가했습니다. 함께 다양한 생태계에서 중금속의 존재와 확산으로 인한 모든 위험은 환경 샘플의 낮은 농도에서도 중금속을 감지하는 시스템을 개발할 필요성을 강조합니다[17].
현재 농생태계 모니터링에 사용할 수 있는 다양한 방법에는 기체 크로마토그래피, 고성능 액체 크로마토그래피, 질량 분광법 등이 있습니다(그림 1). 이러한 모든 기술은 농업 샘플뿐만 아니라 환경의 오염 물질을 쉽게 감지하고 정량화할 수 있습니다. 반대로, 이러한 측정의 감도, 특이성 및 재현성은 논란의 여지가 없지만 이러한 방법의 배포는 시간 소모, 높은 비용 및 숙련된 인력과 함께 정교한 기기의 요구 사항으로 인해 주로 제한됩니다[8]. 따라서 이러한 농업 오염 물질을 모니터링하기 위한 적절하고 신속하며 경제적으로 실행 가능한 방법이 절실히 필요합니다[18,19,20]. 나노센서는 특정 분자, 생물학적 구성요소 또는 환경적 상황을 식별하도록 설계된 나노크기 소자 장치입니다. 이 센서는 매우 구체적이고 편리하며 비용 효율적이며 거시적 규모의 아날로그에 비해 훨씬 낮은 수준에서 감지합니다. 일반적인 나노센서 장치 작동에는 세 가지 기본 구성요소가 포함됩니다.
시료 준비:기체, 액체 또는 고체 상태의 균질하거나 복잡한 현탁액일 수 있습니다. 농생태계의 샘플 준비는 불순물과 간섭으로 인해 매우 어렵습니다. 샘플에는 센서가 타겟팅할 수 있는 특정 분자, 분자 또는 유기체의 기능 그룹이 포함되어 있습니다. 분석물로 알려진 이러한 표적 분자/유기체는 분자(염료/색소, 독성 물질, 살충제, 호르몬, 항생제, 비타민 등), 생체 분자(효소, DNA/RNA, 알레르겐 등), 이온(금속, 할로겐, 계면활성제 등), 가스/증기(산소, 이산화탄소, 휘발성 화합물, 수증기 등), 유기체(박테리아, 곰팡이, 바이러스) 및 환경(습도, 온도, 빛, pH, 날씨 등) )
<리> 2.인식:특정 분자/원소는 샘플 내의 분석 물질을 인식합니다. 이러한 인식 분자는 항체, 앱타머, 케미컬 레전드 효소 등이며, 분석물에 대한 높은 친화성, 특이성, 선택적 특성을 가지고 있어 허용 수준으로 정량화합니다.
<리> 3.신호 변환:특정 신호 변환 방법은 이러한 일반 장치를 광학, 전기화학, 압전, 초전, 전자 및 중량 바이오센서와 같은 다양한 유형으로 분류했습니다. 그들은 인식 이벤트를 데이터를 생성하기 위해 추가 처리되는 계산 가능한 신호로 변환합니다(그림 2).
기존 모니터링 기술과 고급 모니터링 기술 간의 차이점을 강조하는 도식 표현
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농업생태계 모니터링을 위한 나노센서의 구성요소를 보여주는 단순화된 표현
나노 기술 개입은 건강, 의약품, 식품, 환경 및 농업 부문과 같은 진단의 다양한 영역을 변형하도록 자극을 배치하여 투기적 특성을 실제 출력으로 전환합니다[21,22,23,24, 25,26,27,28]. 나노기술은 생명공학 기술, 나노 기반 의료 시설에 설치된 센서로 구성된 현대 도구와 살충제, 약물 잔류물, 식품 잔류물의 검출을 단순화하는 생체 광자학으로 구성된 현대 도구를 인류에게 제공함으로써 수많은 진단 방법론의 발전에 중요한 역할을 합니다. 매개 병원성 미생물, 독소 오염 물질 및 중금속 이온 [24, 29]. 다행히도 나노기술 분야는 물질이 유사한 물질의 벌크 형태와 동일시될 때 독특한 속성과 성능을 드러내는 원자 또는 분자 규모의 지배 물질과 결합된 이해로 구성됩니다[30]. 현재 모든 접근 방식 중에서 바이오센서는 생물학적 기원의 인식 구성요소를 사용하여 정량적 방식 또는 반정량적 형태로 명확한 체계적인 데이터를 생성할 수 있는 기능을 갖춘 겸손하고 압축된 조사 장치입니다. 신호 변환 장치 [31,32,33]. 신호 변환 방법의 사용 유형은 이러한 겸손한 장치를 광학, 전기 화학, 압전, 초전, 전자 및 중량 바이오 센서와 같은 다양한 유형으로 분류했습니다[34]. 최근 나노기술의 발전은 바이오센서 설계를 위한 다양한 새로운 방법을 열어주었다[29, 35]. 다양한 바이오센싱 데이즈(나노 바이오 센서)를 갖는 나노 물질의 혼성화는 검출에 대한 감도 향상을 위한 많은 결합 및 다목적 접근법을 제공하고[36], 따라서 단일 분자의 모니터링 능력도 향상됩니다[32, 37 , 38]. 나노 규모는 약 1~100nm로 정의되며 이는 미터의 10억분의 1에 해당합니다. 직경이 약 1000nm인 평균 세균 세포의 치수와 비교하면 쉽게 이해할 수 있습니다[39]. 센싱에 사용되는 나노물질은 데이터 수집을 위해 원자 규모로 구성된 나노센서라고 한다. 나노 물질은 접근하기 어려운 영역의 다양한 물리적 및 화학적 징후를 주시하고, 다양한 세포 소기관에서 생물학적 기원의 다양한 화학 물질을 감지하고, 나노 규모의 입자를 결정하는 등 여러 응용 분야에서 분석할 수 있는 정보로 재할당됩니다. 환경과 산업에서 [40, 41]. 단일 바이러스 입자의 존재와 매우 낮은 농도의 물질도 나노센서를 사용하여 감지할 수 있습니다. 나노센서는 트랜스듀서(transducer)라고 불리는 또 다른 요소에 공유적으로 부착된 생체에 민감한 층으로 구성됩니다. 표적분석물질과 생체수용체의 상호작용으로 인해 발생하는 물리화학적 변화는 전기적 신호로 변환된다[40].
최근 몇 년 동안 방대한 양의 샘플에서 여러 합성물을 감지하기 위해 뛰어난 시각적 인식 바이오 및 나노 센서가 많이 사용되었습니다. 복합 재료의 범위는 여러 금속 이온, 단백질, 살충제, 완전한 미생물 검출을 위한 항생제, 핵산 증폭 및 시퀀싱을 포함합니다[19, 33, 42, 43]. 농업 제어 과정 및 잔류물을 모니터링하는 것 외에도 나노 기술의 다른 잠재적 응용 프로그램도 지난 20년 동안 표면화되었습니다[44,45,46,47]. 농업 부문의 개선에 나노기술을 사용하기 위한 절대적 이점에는 성장 촉진제의 나노물질 보조 전달[44, 48, 49], 영양(특히 미량 영양소)[49, 50] 및 식물의 유전적 변형[51, 52]이 포함됩니다. ]. 또한, 나노살균제, 나노박테리오사이드 및 나노살충제 형태의 다양한 살충제가 사용되는 것으로 밝혀졌습니다[50, 53,54,55]. 또한 나노기술의 다른 이점으로는 나노물질 기반 개선[56], 나노제초제[57]뿐만 아니라 생물공정[58], 양식업[59], 수확 후 기술[60], 수의학[61], 어업[57]에 사용됩니다. 62], 종자 기술 [63]. 이러한 모든 응용 프로그램은 함께 오염 감소(주로 토양 및 물), 환경 보호 관련 비용 감소, 영양소 사용 효율성 향상과 같은 다양한 이점을 보여줍니다[45, 46, 50, 56, 64,65,66,67,68]( 그림 3). 위에서 언급한 사실을 감안할 때, 현재 검토는 자연 농업 생태계를 침입하는 일부 외부 구성 요소의 탐지와 함께 다양한 구성 요소를 드러내기 위해 다양한 농업 생태계에 다양한 종류의 나노센서를 사용하는 것을 목표로 합니다.
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농업 부문에서 나노기술의 다양한 응용
농약은 농업 생태계의 생산성을 높이기 위해 해충, 곤충, 잡초 및 곰팡이를 방지, 규제 또는 제거하기 위해 농업 시스템에서 광범위하게 적용됩니다[69]. 살충제의 사용은 계속 증가하고 있으며 세계 농산물의 거의 3분의 1을 차지할 수 있습니다[70]. 그러나 현장에서 무분별한 살충제 사용은 지하수를 오염시키고 식량 자원에 축적되어 인간과 동물과 같은 비표적 종에도 심각한 영향을 미쳤다(그림 4). 살충제에 대한 인간의 노출은 다양한 방식으로 건강에 영향을 미칠 수 있으며 그에 따른 건강 영향은 돌연변이원성, 신경독성, 발암성에서 유전독성에 이르기까지 다양할 수 있습니다[71, 72]. 유기 인산염과 같은 일부 살충제는 적은 농도로 적용하더라도 동물의 몸에 축적되며 더 높은 농도에 노출되면 인간에게 심각한 건강 위험을 주는 아세틸콜린에스테라제와 같은 효소가 억제됩니다[73]. 따라서 식품 안전을 보장하기 위해서는 우수한 잔류 농약 검출 방법의 개발이 매우 중요합니다.
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인간 건강에 대한 살충제의 역효과
고성능 액체 크로마토그래피, 비색 분석, 효소 결합 면역 흡착 분석, 액체/기체 크로마토그래피-질량 분석, 전기 영동 및 형광 분석 절차와 같은 농약 잔류물의 검출을 위해 아주 오래전부터 다양한 접근법이 사용되었지만 [8 , 74,75,76,77,78,79]. 그럼에도 불구하고, 이러한 기술의 대부분은 값비싼 장치, 전문 작업자 및 복잡한 시료 전처리가 필요한 단일 신호 분석인 반면 일부는 환경 조건의 변화에 취약합니다[80, 81]. 따라서 이러한 탐지 조치는 잔류 농약의 현장 탐지에 적합하지 않습니다. 또한 긴급 상황에서 사용을 제한하는 실시간 감지에 적합하지 않은 것으로 나타났습니다[82]. 결과적으로 다중 신호를 사용하는 검출 방법은 분석의 신뢰성과 편의성을 향상시킵니다. 예를 들어, 다중 신호 형광 측정 방법과 비색 분석의 조합을 목표로 하는 방법은 다면 구조에서 배경의 영향을 우회할 수 있고 다양한 실제 요청에서 육안 감지를 보완할 수 있습니다[83]. 따라서, 빠르고, 단순하고, 선택적이고, 섬세하고, 정확하고, 이해하기 쉬운 수단으로 농약 검출을 위한 다양한 접근 방식을 평가하는 데 더 많은 노력을 집중함으로써 잔류 농약 검출을 위한 광학 센서의 개발로 이어졌습니다[80].
효소, 항체, 분자 각인 폴리머, 앱타머 및 호스트-게스트 인식기와 같은 인식 요소를 이용하는 살충제 검출에 대한 수많은 광학 전략이 이미 인식되었습니다. 이러한 접근 방식은 특정 살충 입자를 확실하게 인식하고 감지할 수 있습니다[81, 84,85,86,87,88]. 또한, 인식 구성 요소와 나노 물질의 결합은 신속하고 효과적인 살충제 탐지를 위한 주요 요구 사항인 즉각적인 배치에 대해 더 높은 수준의 감도와 엄청난 특이성을 가져옵니다[82]. 따라서 잔류 농약을 감지하기 위한 신속하고 민감하며 구체적이며 정확하고 작동하기 쉬운 방법에 대한 탐구는 비용 효율성, 소형화, 운송 용이성, 비범한 감도와 더 짧은 감지 시간[89](그림 1).
일반적으로 광학 센서는 특정 잔류 농약 입자에 대해 특이적인 인식 요소로 구성되며 다른 구성 요소인 변환기와 네트워크로 연결될 수 있으며 특정 잔류 농약이 센서에 결합하기 위한 신호를 생성하는 데 사용됩니다. . 효소, 항체, 분자 각인 폴리머, 앱타머 및 호스트-게스트 인식기로 구성된 인식 구성 요소는 모든 센서의 진단 성능을 개선하기 위한 과학 커뮤니티의 고려를 사로잡고 있습니다. 기존의 확고한 광학 프로브는 신호 출력 형식에 따라 4가지 유형으로 분류할 수 있습니다. 이들은 형광(FL), 비색(CL), 표면 강화 라만 산란(SERS) 및 표면 플라즈몬 공명(SPR) 광학 센서[90]입니다.
널리 알려진 또 다른 종류의 나노센서는 현장 진단 분석 장치[91]에서 널리 인증된 면역 크로마토그래피 스트립(ICTS) 나노센서입니다. 면역 크로마토그래피 분석은 현장 진료 테스트 행동으로 인해 농생태계 모니터링에 관여하는 것으로 보고되었습니다. 예를 들어, GM 작물의 검출을 위해 보고된 면역크로마토그래피 분석에서 가시적 비색 판독 전략이 채택되었는데, 이는 예/아니오 응답만 제공하고 종종 불충분한 감도로 어려움을 겪었습니다[92,93,94]. 유사하게, 금 나노입자 기반 ICTS 센서는 상대적으로 더 약한 색 밀도를 생성하여 적용을 제한하기 때문에 낮은 감지 감도를 갖는 것으로 보고되었습니다[95, 96]. 그러나 검출 신호 강도 증가, 시약의 친화도 향상, 라벨링 기술 최적화, 스트립 장치의 모양 수정과 같은 몇 가지 제안된 증폭 전략으로 감도를 향상시킬 수 있습니다[96]. 따라서 개선된 ICTS 나노센서는 농업생태계에서 잔류농약 검출을 위한 경제적으로 실행 가능한 도구임이 입증될 수 있습니다.
다양한 전기화학적 접근 방식과 나노기술의 결합은 전극 미세 환경에 대한 적절한 검사와 함께 센서에 대한 우수한 작동 표면적을 손상시킵니다. 나노입자는 다양하고 수많은 특성을 가지고 있으므로 전기화학 현상에 기반한 감지 구조에서 다양한 목적을 수행할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 따라서 전기화학적 나노센서는 살충제 탐지를 위한 효과적인 도구로 보입니다. 최근에는 주로 콜린에스테라아제(cholinesterase) 효소에 기반을 둔 전기화학적 바이오센서가 뛰어난 지각력, 선택성 및 고통 없는 생성 방법에 기인하는 카바메이트 및 유기인산염 클래스에 속하는 잔류 살충 입자를 검출하기 위한 유익한 장치로 나타났습니다[98, 99]. 그럼에도 불구하고 효소 기반 바이오센서는 높은 가격, 효소 활성 감소, 잘린 재현성 등 많은 제약을 받고 있다[100]. 게다가, 효소는 본질적으로 불안정한 것으로 보이며 또한 바이오센서의 수명을 제한하여 실제 적용을 제한하는 열악한 환경 조건에서 변성될 수 있습니다[101]. 또한 생물학적 기원의 샘플에서 다른 중금속의 발생과 같은 여러 불순물의 징후는 위양성 결과를 생성할 수 있는 검출 중 효소의 감도와 선택성을 방해할 수 있습니다[102]. 따라서 비효소적 전기화학적 바이오센서의 필요성을 불러일으킨다. 나노물질은 비효소적 전기화학적 센서를 만들기 위한 유망한 경쟁자로 보인다[103]. 나노 입자를 포함하는 다양한 범주의 나노 물질(예:CuO, CuO–TiO2 , 및 ZrO2 , NiO), 나노복합체(예:몰리브덴 나노복합체) 및 나노튜브(예:펩타이드 및 탄소 나노튜브)는 잔류 농약 입자를 전기화학적으로 결정하는 데 관여하는 것으로 널리 알려져 있습니다[104,105,106]. 이러한 나노물질에 의한 잔류 농약 입자에 대한 명확하고 심오한 조사는 나노물질의 극도로 작은 크기, 더 큰 표면적 및 모방할 수 없는 전기적 및 화학적 특성의 소유에 기인합니다[70].
특정 농약에 대한 다양한 나노센서의 감도와 선택성은 다양한 연구에서 보고되었습니다(표 1). 예를 들어 은 나노덴드라이트와 업컨버팅 나노입자에 기반을 둔 두 개의 서로 다른 광학 센서가 0.002ppm 및 6.8 × 10 −8 수준 M, 각각 [107, 108]. 유사하게, 3D 그래핀 나노복합체로 장식된 CuO 나노입자를 사용하여 접지된 전기화학적 나노센서는 0.01nM 수준에서 말라티온을 검출한 반면[109], 키토산-산화철 나노복합체를 통해 제작된 전기화학적 압타센서는 0.001ng/mL의 놀라운 감도에서 말라티온을 검출했다[11 .
Pb 2+ 와 같은 다양한 중금속 이온의 존재 , Hg 2+ , Ag + , CD 2+ , Cu 2+ 서로 다른 자원으로부터 오는 것은 인간과 그 주변 환경에 불안정한 영향을 미칩니다. 다양한 환경에서 중금속이 축적되는 것은 폐수 및 국내 배출물에서 중금속 이온이 적절하게 배출되지 않는 것과 함께 농업 및 산업적 성취의 끊임없는 촉진으로 뒷받침됩니다[111]. 따라서 건강 분석과 함께 환경의 보안을 보장하기 위해 숙련된 관행을 통한 미량 중금속 이온의 페레팅이 매우 바람직합니다. 중금속에 대한 이해는 X선 형광 분광법(XRF), 원자 흡수 분광법(AAS), 원자 방출 분광법(AES), 유도 결합 플라즈마 질량 분석법과 같은 여러 분석 시스템[112]을 탐색하여 수행할 수 있습니다. ICP-MS) 그러나 그들의 응용 프로그램은 장치의 호화로움, 시간 소모적인 방법 및 노동 집약도와 같은 많은 제한 사항이 있습니다. 따라서 이러한 제한 사항을 안내하기 위해 중금속 이온의 섬세하고 성급하며 분별력 있는 탐사를 이해하기 위한 겸손하고 수익성 있는 데이즈를 고안하기 위해 수많은 유형의 광학, 전기화학 및 비색 전략이 포괄적으로 조사되었습니다(표 2).
중금속 검출을 위해 자주 표적으로 삼는 광학 화학 센서는 주로 변환 요소로 알려진 요소에서 진단 신호를 생성하기 위해 전자기 방사선을 사용하는 화학 센서 클러스터에 적합합니다. 시료와 방사선 사이의 상호 작용은 분석물의 농도와 상호 관련될 수 있는 특정 광학 고려 사항을 변경합니다[115, 116]. 예를 들어, 카드뮴 검출을 위해 나노하이브리드 CdSe 양자점을 사용하여 합성된 광학 나노센서는 카드뮴 금속의 감각에서 녹색 광발광을 복원했습니다[117]. 광학 화학 센서는 분석 대상과 결합된 지표(유기 염료)의 결과로 나타나는 광학 소유물(방출, 흡수, 투과, 수명 등)의 보이는 변화의 원리에 따라 작동합니다[118]. 그래핀 기반 나노기술을 유혹하는 접근 방식은 이러한 문제를 무력화하고 향상된 성능으로 감지 플랫폼을 물려주는 도구로 시작되었습니다. 그래핀에서 유래한 나노물질에 주로 기반을 둔 광학 기술은 최근에 중금속 이온을 감지하기 위한 고무적인 방법 중 하나로 발전했습니다. 그 이유는 이들의 온건한 구조와 일부 독특한 금속 이온에 대한 지각 있는 인식 때문입니다[116].
Ag, Au, Pd와 같은 고귀한 나노 입자는 퍼옥시다제 활성을 모방하는 고유한 특성을 부여받았으며 그래핀과의 결합은 우수한 촉매 성능과 함께 견고성을 높입니다. 이 기능을 기반으로 하는 수많은 중금속 이온 감지와 관련된 다양한 크기의 센서가 있습니다. 산화 그래핀과 은 나노 입자의 혼성화는 퍼옥시다제 효소 활성을 모방한 나노하이브리드를 생성했으며 이중 가닥 및 단일 가닥 DNA 분자를 구별할 수 있는 것으로 추가로 발견되었습니다. 따라서 Pb 2+ 의 열량 측정 검출 및 Hg 2+ 구조가 4중 배열 또는 헤어핀 같은 어셈블리로 변경되었기 때문에 DNA 구조의 금속 이온 유발 변화에 기초하여 적합합니다[119, 120]. 또한, 이러한 비색 접근 방식은 간단한 조작, 경제적으로 실현 가능하고 운반 가능한 기기 및 사용하기 쉬운 응용 프로그램으로 인해 유리합니다. 중금속 검출용 화학센서는 2차 오염을 유발할 수 있어 대상 종 제거에 번거로운 것으로 밝혀졌다. 따라서 하나의 나노복합체 입자에 형광 및 자성 기능을 통합하는 것이 가능한 대체품으로 보인다[121]. 그럼에도 불구하고, 자성 나노입자의 발현은 형광 부분의 광발광을 강력하게 소멸시키고, 따라서 이러한 종류의 나노복합체의 개발에 대한 꾸준한 도전을 상승시킨다. 따라서 이러한 우려를 조정하기 위해 소수성 및 정전기 상호 작용, 수소 결합 및 공유 결합과 같은 분자 수준에서 발생하는 수많은 상호 작용이 종종 나노복합체 합성의 대상이 됩니다. 예를 들어, 고분자 층으로 된 Fe2의 얕은 부분에 배치된 양자점 O3 티올 화학의 접근 방식을 사용하여 소구체. Fe2를 포함한 여러 물질의 표면에 금 나노 입자가 포착되었습니다. O3 나노 입자 및 정전기 연결을 사용하는 실리카 미소구체도 합성되었습니다[122, 123].
나노 화학 원리를 사용하여 다중 모드 나노 센서를 합성하는 접근 방식은 수성 매질에서 중금속 이온을 효율적으로 감지할 뿐만 아니라 제거하기 때문에 다소 매력적입니다. Satapathi et al.에 의해 합성된 다중 모드 나노센서. [124] 다단계 생산 관행을 통해 자성(Fe2 O3 ) 나노 입자, 움직일 수 없는 스페이서 암, 그리고 발견된 수은 이온의 제거뿐만 아니라 일치하는 인식을 의미하는 형광 양자점. 이 나노센서의 탁월한 감도는 Hg 2+ 감지 기능으로 표시될 수 있습니다. 검출 한계가 1nm에 불과한 나노몰 수준입니다. 검출된 분석물질을 외부의 막대자석을 이용하여 제거함으로써 오염물질의 잔류물을 남기지 않는다는 독특한 특성으로 인해 나노센서의 친환경적 측면을 옹호할 수 있다. 나노센서의 특성을 개선하기 위해 구연산 다당류, 다양한 폴리머 및 단백질과 같은 여러 화합물이 나노센서를 안정화하는 데 사용됩니다[125]. 에피카테킨으로 안정화된 은 나노입자는 Pb 2+ 의 식별 검출에 사용할 수 있습니다. , 그것도 다른 스누핑 금속 이온의 발생에서. 낮은 검출 한계, 쉬운 합성, 뛰어난 식별력 및 경제적인 생산으로 ECAgNPs는 Pb 2+ 의 반복 검사를 위한 강력한 센서입니다. 생태 모델의 강도 [126]. 양자점의 사용은 광물리학적 및 화학적 속성 측면에서 놀라운 이점을 제공하므로 형광 양자점 기반 센서를 수많은 금속 이온을 감지하는 효율적인 도구로 만들 수 있습니다[127, 128]. 그러나 양자점 사용의 주요 단점은 부적절하고 힘들고 지루한 작업이 되는 실제 적용에서 양자점의 분리 및 복구입니다. 그럼에도 불구하고 자성 나노물질(Fe3 O4 )을 양자점 기반 형광 센서에 적용하면 이 문제를 해결하고 높은 비표면적, 특수 자기 특성, 자기 작동성 및 낮은 독성으로 인해 몇 가지 추가 이점을 제공합니다. Yang et al. [128] Hg 2+ 를 감지하고 분리할 수 있는 자성 나노 물질과 형광 양자점과 융합된 카르복시메틸 키토산에 기반한 다기능 자기 형광 나노 입자를 확립했습니다. 9.1 × 10 −8 의 감지 수준과 동시에 정부. 따라서 나노기술의 소박하고 정교한 방법론은 다양한 한계와 함께 현재 어려운 작업으로 보이는 미래의 현장 기반 중금속 감지 장치에 대한 방향을 제시합니다.
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.
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].
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].
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.
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.
해당 없음.
Atomic absorption spectrometry
Atomic emission spectrometry
Silver
Aluminum oxide
Gold
Cadmium selenide
Colorimetric
Cobalt iron oxide
Cationic cetyltrimethylammonium bromide
Cupric oxide
Sual-emission carbon dots
Iron dioxide
Fluorescence
Inductively coupled plasma mass spectrometry
Immunochromatographic strip
Nickel oxide
Palladium
Plant growth-promoting rhizobacteria
Surface-enhanced Raman scattering
Silicon dioxide
Surface plasmon resonance
Titanium dioxide
X-ray fluorescence spectrometry
Zinc oxide
Zirconium dioxide
나노물질
우리가 3D 프린팅이라고 부르는 것은 일반적으로 금형 제조, 산업 디자인 및 기타 분야에서 사용됩니다. 또한 식품 분야에서 3D 프린팅 기술도 중요한 발전을 이루었습니다. 3D 프린팅의 장점 1. 조작이 간단하고 편리합니다. 전통적인 선반의 제조 공정은 작업자가 오랜 시간 동안 작동 방법과 기술을 배워야 합니다. 그러나 3D 프린팅은 컴퓨터 소프트웨어의 작동과 기계의 캘리브레이션만 알면 되며 전체 작동 프로세스는 장기간의 연구 없이 마스터할 수 있습니다. 기존 선반 제조 공정에 비해 훨씬 간단합니다. 2. 생산 효율성 향상 3D
마찰 용접이란 무엇입니까? 마찰 용접은 재료를 소성적으로 변위시키고 융합시키기 위해 업셋(upset)이라고 하는 횡력을 추가하여 서로에 대해 상대적으로 움직이는 공작물 사이의 기계적 마찰을 통해 열을 발생시켜 공작물을 용접하는 고체 상태 용접 기술입니다. 용융이 일어나지 않기 때문에 마찰용접은 융착용접이 아니라 단조용접에 가까운 고체용접 기술이다. 마찰 용접은 다양한 항공 및 자동차 응용 분야에서 금속 및 열가소성 수지와 함께 사용됩니다. 실제로, 겉보기에 매끄러운 표면은 돌기라고 하는 많은 미세한 돌기로 구성됩니다. 한 표