油田采出水（PW）是油气开采过程中产生的复杂水相体系，其中含有多种无机盐、金属离子、酚类、多环芳烃以及含羧基有机酸。芳香羧酸（ACAs）兼具芳香环与羧基结构，通常表现出较强酸性、腐蚀性和促进乳化的能力，因此会直接影响采出水后续是排放至自然水体，还是回注至油藏。苯甲酸、1-萘甲酸和 9-蒽甲酸（9-AA）等化合物在水环境和油田采出水中具有代表性，其中 9-AA 的快速定量对于评估采出水腐蚀风险和乳化潜势尤为关键，但在高盐、多组分、强干扰的真实基质中实现直接、快速、免标记检测仍然困难。
纳米孔传感因具有单分子灵敏度、实时读出、样品前处理需求低和免标记检测等优势，已经广泛用于核酸测序、生物标志物识别和环境分析。α-溶血素（α-HL）纳米孔与分子适配体结合，是提升小分子识别能力的重要策略。既往研究中，环糊精、葫芦脲、半氮杂竹脲和环肽等适配体已被用于不同类型分析物识别。然而，芳香羧酸同时具有高极性、负电荷和疏水 π 共轭结构，现有适配体难以兼顾电荷锚定、疏水包结、π-π 堆积与尺寸匹配，因此需要面向 ACA 特征重新设计识别单元。
就在2026年4月27日，来自南京师范大学的古志远团队在 Analytical Chemistry 发表了一项研究，基于 α-HL 纳米孔分子适配体对 6 种芳香羧酸进行单分子识别，文章题为：“Organic Macrocycle as Highly Selective Adaptor for Nanopore Sensing of Aromatic Carboxylic Acids in Oilfield Produced Water”。
DOI: 10.1021/acs.analchem.6c01256该研究以萘二酰亚胺（NDI）骨架有机大环（OM）作为 α-HL 纳米孔分子适配体，建立了面向 6 种芳香羧酸的单分子电流阻断识别方法，并结合核磁共振（NMR）、理论计算和真实油田采出水检测验证了识别机制与应用可行性。
整体结果表明，柔性 OM 1 能够作为高选择性适配体识别 2 个至 3 个芳香环的 ACA；识别信号不受 10 倍过量酚类、金属离子和多环芳烃干扰；稳定复合物形成依赖尺寸匹配、亲水相互作用、静电作用和 π 共轭效应协同；该体系可在未经分离富集的真实 PW 中直接定量 9-AA，且结果与高效液相色谱（HPLC）高度一致。
主要图表
图 1：不同有机大环的纳米孔传感筛选。图 a 展示 OM 适配体辅助纳米孔识别 9-AA 的示意过程，OM 加入 trans 侧，9-AA 加入 cis 侧；图 b 至图 e 分别展示 OM 1、OM 2、OM 3 和 OM 4 的结构，以及对应纯 OM 和 OM 与 9-AA 混合后的电流轨迹。OM 1 与 9-AA 混合后出现明显主客体复合物电流阻断信号，而 OM 2、OM 3 和 OM 4 均未检测到可明确归属为复合物的特征事件。
图 2：以 OM 1 为适配体的 9-AA 纳米孔传感。图 a 展示 OM 1 加入 trans 侧、9-AA 加入 cis 侧后，二者可逆形成主客体复合物并被野生型 α-HL 捕获的传感机制；图 b 为仅含 OM 1 时的代表性电流轨迹和 ΔI/I0 分布，灰色表示纯主体信号；图 c 为仅含 9-AA 时的对照轨迹，未观察到特征信号；图 d 为 OM 1 与 9-AA 同时存在时的复合物事件，粉色表示特异性主客体结合信号，ΔI/I0 分布中出现明显深阻断峰。
图 3：OM 1 辅助纳米孔对芳香羧酸的检测与区分。图 a 至图 f 左侧分别展示 4,4′-BA、4′-OH-4-BA、4-BA、2-NA、2,6-NA 和 9-AA 的结构，中间为各分析物代表性电流轨迹，右侧为对应 ΔI/I0 直方图和高斯拟合，灰色表示主体信号；联苯羧酸类和萘甲酸类产生双水平阻断，9-AA 主要产生单水平阻断。图 g 展示 4,4′-BA 与 OM 1 形成复合物的 3 种结合状态，状态 1 为空间分离，状态 2 为亚稳结合，状态 3 为稳定结合；图 h 显示相对自由能从状态 1 到状态 3 逐步降低；图 i 显示 Molovol 计算得到状态 2 和状态 3 的形状与体积，分别为 4997 ų 和 5081 ų。
图 4：影响主客体复合物形成的结构因素探索。图 a 至图 e 分别展示 2-NA、NAP、4-BA、4,4′-BIP 和 BA 的结构及其与 OM 1 对应的电流轨迹；2-NA 和 4-BA 产生特征电流阻断信号，而 NAP、4,4′-BIP 和 BA 未产生主客体复合物信号。图 f 至图 j 为 2-NA、NAP、4-BA、4,4′-BIP 和 BA 的 ESP 图，红色区域表示负电势，蓝色区域表示正电势；2-NA 和 4-BA 的羧基负电势有利于与阳离子 OM 1 结合，而缺乏羧基或缺乏芳香共轭的分子难以形成稳定复合物。
图 5：油田采出水中 9-AA 的快速分析与定量。图 a 展示 PW 样品纳米孔分析流程，采出水经离心去除颗粒物后配制为检测缓冲液，并直接加入纳米孔装置 cis 侧进行单分子测量；图 b 至图 g 分别为 PW1、PW2、PW3、PW4、PW5 和 PW6 样品中 9-AA 的代表性电流轨迹，灰色线表示主体信号位置；图 h 显示 6 个 PW 样品的 9-AA 事件频率落在拟合浓度标准曲线上；图 i 比较 HPLC 和纳米孔方法测得的 9-AA 浓度，两种方法结果一致性良好。实验条件为 trans 侧 0.5 mM OM 1，偏压 +80 mV。总结
总体而言，柔性 OM 1 可作为 α-HL 纳米孔的有效分子适配体，在单分子水平实现 ACA 的随机传感。该体系利用 OM 1 腔体内的主客体作用、阳离子位点带来的静电吸引以及 NDI 芳香骨架提供的 π 共轭相互作用，将不同 ACA 在芳香环数、羧基数和构象状态上的细微差别转化为可分辨的电流阻断信号。
在此基础上，6 种 ACA 均可被有效区分，且体系能够识别同一主客体复合物中体积极为接近的亚稳态和稳定态构象。真实 PW 样品中 9-AA 的免标记检测与定量无需分离富集，检测结果与 HPLC 保持一致，说明 OM 1 辅助纳米孔策略兼具选择性、准确性和复杂基质适应性。未来若进一步提升灵敏度、扩展可检测 ACA 类型并优化便携化装置，该策略有望成为油田采出水中芳香羧酸常规监测和现场环境分析的实用工具。
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