《TrAC Trends in Analytical Chemistry》：Integration of sustainable nanotechnology with artificial intelligence of things (AIoT) for environmental applications
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本文探讨绿色纳米材料传感器与AIoT系统在实时监测和预测水、空气、土壤污染物管理中的应用，结合生命周期评估优化可持续发展。
莫妮卡·尼赫拉（Monika Nehra）|阿曼·库马尔（Aman Kumar）|阿克沙伊·库马尔（Akshay Kumar）|阿吉特·考希克（Ajeet Kaushik）|桑迪普·库马尔（Sandeep Kumar）
印度新德里K.S.克里希南路（Dr. K.S. Krishnan Marg）的CSIR-国家物理实验室（CSIR-National Physical Laboratory），邮编110012
摘要
随着时间的推移，技术进步使得人工智能（AI）和物联网（IoT）与纳米技术相结合，从而在检测和催化管理有害物质（如水污染物、空气中的颗粒物以及土壤中的毒素）方面带来了范式的转变。与资源密集且耗时的传统实验室分析方法相比，开发具有实时检测和预测能力的先进监测系统至关重要。本文探讨了基于绿色纳米材料的现代传感器和催化剂在水中、空气中和土壤中检测及管理有害物质的应用，同时也涉及燃料生成。生命周期评估（LCA）方法对于评估和指导绿色纳米材料的发展具有重要意义。本文还讨论了将可持续的纳米传感器和催化剂与物联网中的人工智能（AIoT）系统相结合的可能性。这些技术的融合有助于克服由于环境动态性导致的污染物检测和管理的复杂性。本研究旨在通过基于AIoT的传感器生成的信息进行快速检测和预测分析，从而赋能人类、利益相关者和污染监测行业。AIoT信息分析有助于评估污染物的潜在风险并优化必要的安全措施。最后，本文讨论了可持续纳米技术支持的AIoT系统在现实世界中的局限性，重点关注相关挑战和潜在进展。
引言
有害物质存在于水、空气和土壤等不同环境介质中，对人类健康、动物、植物和环境构成了严重威胁。这些物质主要包括有机物质[1]、[2]、[3]、无机物质[4]、有机金属化合物[5]、放射性同位素[6]以及病原体[7]、[8]。这些物质进入环境的来源包括工业化加剧、不可持续的社会行为，以及火山爆发和野火等自然事件[9]、[10]。这些物质在环境中的长期存在会损害水质、空气质量和土壤健康，最终可能导致呼吸系统问题、癌症、慢性疾病等严重健康问题[11]、[12]。清洁的环境对17个可持续发展目标（SDGs）中的多个目标具有重要意义，尤其是可持续发展目标3（良好健康与福祉）。这些目标于2015年在纽约举行的联合国峰会上获得通过，与会者来自150多个国家[13]。除了社会的承诺外，还需要制定策略来管理环境污染。通过定期检测[14]并采取适当的修复措施[15]、[16]、[17]，可以有效管理这些物质。实时监测这些物质在各种介质（如水、空气和土壤）中的存在对于防止人类和其他生物接触它们至关重要。早期量化这些毒素的暴露情况可以及时采取干预措施，避免对社会造成重大危害。
多年来，由于纳米材料在多个领域（包括但不限于污染治理、能源、农业、食品、光电子学、生物医学、纺织品和服装、消费品以及电信）中的开创性和多方面的应用，纳米技术受到了广泛关注。对纳米材料的广泛了解和理解推动了全球发展。纳米材料在传感和催化应用方面的最新进展显示出巨大潜力[18]、[19]。基于纳米材料的传感器有助于检测水、空气和食品中的各种污染物。除了检测之外，纳米级催化剂还可以通过吸附[20]或降解[21]有效去除这些污染物。为了确保人类和地球的可持续未来，纳米技术领域的创新和发展至关重要。“可持续纳米技术”指的是在生产和使用纳米材料时将对环境的影响降至最低，同时带来积极的社会和经济效益[22]。毫无疑问，纳米尺度制造的进步使得在高风险下生产出定义明确、纯度高的纳米结构成为可能，但这可能通过使用有毒化学物质或产生有毒副产品而对环境和人类健康造成威胁[23]、[24]。因此，应开发出可持续且环保的方法来高效制造无害的纳米材料，同时实现成本效益和降低环境影响。在这方面，在合成纳米材料时应遵循绿色化学的十二项原则[25]。在合理设计纳米材料时，明确结构-性质-功能关系以及结构-性质-危害关系至关重要，这可以提高纳米材料的功能性能，同时将潜在危害降至最低，避免对人类健康和周围环境造成任何风险[26]。
此外，21世纪最具变革性的两项技术——人工智能（AI）和物联网（IoT）的融合被称为“物联网中的人工智能”（AIoT）。AIoT凭借其先进的数据处理和实时决策能力，正在革新众多科学研究领域[27]、[28]。AIoT驱动的传感器能够实现实时监测和高级数据分析，有助于及早发现并迅速应对潜在的污染事件。对于催化应用而言，集成的AIoT框架必须能够实时获取反应参数（如温度、压力和催化剂活性）。在这里，AI驱动的预测模型可以帮助设计出适用于化学/能源转化或废物降解的多功能催化剂的强大且灵活的机器学习框架[29]。
本文仔细且批判性地探讨了2018年以后可持续纳米技术和AIoT的整合情况，这一时期见证了人工智能在不同领域大规模应用的进展[30]。本文重点探讨了两个主要方面的整合：(a) 水、空气和土壤中污染物的检测；(b) 污染物的催化降解和燃料生成。本研究讨论了通过基于绿色纳米材料的先进传感器/催化剂与AI驱动的分析相结合，实现环境污染物实时检测和缓解的智能、自我调节平台的发展。嵌入在物联网框架中的AI算法能够实现动态数据处理、预测建模和自主系统控制，从而优化操作参数并促进早期预警响应。通过减少对传统资源密集型方法的依赖并推广可持续替代方案，所提出的系统符合绿色化学和循环经济的原则。
部分摘录
可持续纳米技术的概念
在现代社会中，世界面临着诸多挑战，如水资源不安全、空气污染、塑料污染、不负责任的废物处理、生物多样性丧失、全球变暖和气候变化。除了推动现有技术进步外，纳米技术还提供了颠覆性的突破和创新，为解决这些问题提供了即时解决方案。纳米技术是解决水等领域问题的核心
AIoT与技术融合
在众多令人惊叹的技术发展中，AIoT是机器增长的新动力。这项技术旨在通过有效的数据管理和分析能力，实现更高效和升级的物联网操作。物联网设备收集的大量实时数据将由强大的AI算法处理，从而带来提高准确性、降低成本、提升客户满意度、增强可扩展性和提高效率等多种好处。
应用：传感器
将基于纳米材料的传感器集成到智能系统中对于多种应用至关重要，例如自主监测、可穿戴设备和智能传感，尤其是在环境、农业、制造业、基础设施监测和医疗保健领域[96]、[97]、[98]。检测环境介质中的有毒物质对于保护人类和生态系统至关重要。
应用：催化
纳米技术、催化科学和AIoT的融合代表了催化领域的深刻范式转变，尤其是在污染物管理和燃料生成方面。在这一框架中，纳米材料发挥了基础性作用，它们具有独特的催化特性，如高表面积与体积比、独特的表面结构、可调的电子性质等[179]、[180]。这些特性是实现全面
挑战与未来方向
AIoT与纳米技术的融合正在全球范围内推动前所未有的变革，促进纳米级创新、智能数据处理和实时连接。这种融合为农业、医疗保健、能源和制造业等多个行业带来了新的机遇。尽管取得了这些进展，但在确保数据互操作性、标准化以及纳米材料在开放环境中的安全部署方面仍存在挑战。
结论与观点
纳米技术在开发更清洁、更环保的技术以管理和减轻环境污染物及生成燃料方面发挥了重要作用。将这些先进的纳米传感器与远程通信系统和数据分析相结合，可以提高对水/空气/土壤状况的评估能力。AI驱动的预测模型能够实时跟踪各种环境指标，并预测资源污染等问题
CRediT作者贡献声明
阿吉特·考希克（Ajeet Kaushik）：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、调查、正式分析。阿克沙伊·库马尔（Akshay Kumar）：撰写——审稿与编辑、正式分析、数据整理。桑迪普·库马尔（Sandeep Kumar）：撰写——审稿与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、正式分析、概念化。阿曼·库马尔（Aman Kumar）：撰写——初稿、方法论、调查、正式分析、数据整理。莫妮卡·尼赫拉（Monika Nehra）：撰写——初稿、方法论
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
桑迪普·库马尔感谢印度政府的科学技术部提供的DST-PURSE资助（编号：SR/PURSE/2024/350，日期：2024年10月14日）。阿曼·库马尔感谢印度政府的DST通过DST-INSPIRE奖学金（参考编号：DST/INSPIRE/03/2024/003438）提供的财政支持。阿克沙伊·库马尔感谢昌迪加尔潘贾布工程学院（被认定为大学）提供的博士项目奖学金。阿吉特·考希克感谢美国国务院
