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串联式压电传感器：细菌与病毒检测的前沿技术与应用探索

一、引言

1.1研究背景与意义

在人类社会的发展进程中，细菌和病毒引发的疾病始终是威胁公众健康的重要因素。从历史上多次大规模的传染病爆发，如中世纪的黑死病（由鼠疫杆菌引起），在14世纪的欧洲，这场瘟疫夺走了约三分之一人口的生命，给当时的社会、经济和文化带来了毁灭性的打击；到近现代的流感大流行以及如2020年初爆发的新冠疫情，新冠病毒在全球范围内迅速传播，造成了巨大的健康危机，也严重影响了全球经济和社会生活。这些事件都凸显了快速、准确检测细菌和病毒对于疾病防控的重要性。

在公共卫生领域，及时且精准的细菌和病毒检测是预防和控制传染病传播的关键环节。通过检测，可以快速发现感染源，追踪传播途径，从而采取有效的隔离、治疗和防控措施，防止疫情的进一步扩散。以埃博拉疫情为例，在疫情爆发初期，由于检测技术的局限和检测速度的缓慢，疫情迅速蔓延，造成了大量人员的感染和死亡。随着快速检测技术的应用，能够及时发现感染者，对其进行隔离治疗，有效控制了疫情的传播范围和速度。在食品安全方面，细菌和病毒污染是导致食源性疾病的重要原因。据世界卫生组织（WHO）统计，每年全球约有数十亿人受到食源性疾病的影响，其中相当一部分是由细菌（如大肠杆菌、沙门氏菌）和病毒（如诺如病毒）污染食物引起的。准确检测食品中的病原体，可以有效保障食品安全，减少食源性疾病的发生。在环境监测中，对水体、土壤等环境样本中的细菌和病毒进行检测，有助于评估环境健康状况，预防因环境病原体引发的疾病传播。例如，在一些洪涝灾害后，对受灾地区的水体进行细菌和病毒检测，可以及时发现潜在的健康风险，采取相应的消毒和防控措施，保护受灾群众的健康。

传统的细菌和病毒检测方法，如培养法、免疫检测法和核酸检测法等，虽然在疾病诊断中发挥了重要作用，但也存在一些局限性。培养法是一种经典的检测方法，它通过在特定的培养基上培养细菌或病毒，观察其生长情况来进行检测。这种方法虽然准确性较高，但检测周期长，一般需要数天甚至数周的时间，无法满足快速诊断的需求。而且，有些细菌和病毒的培养条件较为苛刻，难以成功培养，这也限制了培养法的应用范围。免疫检测法利用抗原-抗体的特异性结合原理，通过检测样本中的抗体或抗原水平来判断是否感染。然而，该方法容易受到样本中其他物质的干扰，导致假阳性或假阴性结果的出现。此外，免疫检测法对检测设备和操作人员的要求较高，检测成本也相对较高。核酸检测法，如聚合酶链式反应（PCR）技术，虽然具有高灵敏度和高特异性，但需要昂贵的仪器设备和专业的技术人员进行操作，样本预处理过程复杂，检测时间也较长，一般需要数小时。而且，PCR技术对实验室环境要求严格，容易受到污染，导致检测结果的不准确。

串联式压电传感器作为一种新型的检测技术，在细菌和病毒检测领域展现出了独特的优势和巨大的应用潜力。串联式压电传感器基于压电效应，当受到外力作用时，压电材料会产生电荷，反之，当施加电场时，压电材料会发生形变。在细菌和病毒检测中，通过将特异性的识别分子（如抗体、核酸适配体）固定在传感器表面，当样本中的细菌或病毒与识别分子结合时，会引起传感器表面质量或应力的变化，进而导致压电信号的改变，通过检测这些信号变化即可实现对细菌和病毒的检测。与传统检测方法相比，串联式压电传感器具有高灵敏度、快速响应的特点，能够在短时间内（几分钟到几十分钟）检测到低浓度的病原体。它还具有操作简便、无需复杂样本预处理、成本相对较低等优势，有望实现现场快速检测，为疾病的早期诊断和防控提供有力支持。例如，在突发公共卫生事件中，串联式压电传感器可以在基层医疗机构、现场检测点等快速部署，及时对大量样本进行检测，为疫情防控争取宝贵时间。

对串联式压电传感器在细菌及病毒检测中的应用研究具有重要的理论和实际意义。在理论方面，深入研究串联式压电传感器与细菌、病毒之间的相互作用机制，有助于丰富生物传感理论，拓展压电材料在生物检测领域的应用基础研究。在实际应用中，开发基于串联式压电传感器的快速、准确、便携的检测技术和设备，能够填补现有检测技术的不足，满足公共卫生、食品安全、环境监测等领域对病原体快速检测的迫切需求，对于保障公众健康、维护社会稳定和促进经济发展具有重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

近年来，随着对细菌和病毒检测需求的不断增加，串联式压电传感器凭借其独特的优势，在国内外引起了广泛的研究关注，取得了一系列重要的研究成果。

在国外，研究人员在串联式压电传感器的原理探索和技术创新方面投入了大量精力。[具体文献1]通过对压电材料的深入研究，发现了新型压电材料在细菌检测中的独特性能，优化了传感器的设计结构，显著提高了检测灵敏度。在病毒检测方面，[具体文献2]开发了基于串联式压电传感器的快速检测方法