生物质谱技术已成为当今蛋白质组学研究中蛋白质定性定量分析的主流研究手段。而在基于质谱的蛋白质组学中,样品预处理步骤因其直接影响到质谱分析的结果而显得尤为重要。蛋白样品有效的酶解、分离和富集是基于质谱的蛋白质组学研究的前提,高分辨、高可信度的质谱鉴定分析必须建立在高效预处理方法的基础之上。因此,建立有效的样品预处理方法是摆在蛋白质组学研究者面前亟待解决的重要课题。本论文借助纳米材料这一广阔平台,根据蛋白质组学中样品预处理的不同需要,合成了四种具有不同种类不同形貌的功能性纳米材料,用于质谱分析前的蛋白酶解、多肽富集等样品预处理。并将微芯片概念引入其中,实现了微量样品快速分析的预处理效果。其具体内容如下：1.基于介孔硅酶反应器的尺寸选择性酶解及其对低分子量蛋白组的分析应用本研究利用介孔硅为固定化酶基底构建酶反应器,并创新性地提出了尺寸选择性酶解这一概念。利用介孔硅SBA-15孔道结构的尺寸选择效应,尺寸合适的低分子量蛋白得以进入孔道进行酶解,而高分子量蛋白由于尺寸排阻效应排阻在整个酶解体系之外。研究中选用不同的模式蛋白作为低分子量(细胞色素C、溶菌酶、肌红蛋白)和高分子量蛋白(BSA)组成蛋白混合物,验证了尺寸选择性酶解这一模型。此外,对尺寸选择性酶解中的材料改性,酶解时间优化,检测限等做了一系列的探讨。最终将介孔硅固定化酶反应器应用于血清样品的酶解,通过半定量手段表明该方法在低分子量蛋白酶解鉴定上的优越性,展现了基于介孔硅酶反应器的尺寸选择性酶解模式在低分子量蛋白组研究中潜在的应用价值。2.磁性介孔硅填充的S形管道微芯片反应器在低分子量蛋白组在线酶解中的应用利用静电吸附的方法,成功合成出以介孔硅材料SBA-15为骨架,外表面包覆Fe304纳米粒子的磁性介孔硅复合材料。将复合材料用作固定化酶基底,并通过外磁场作用固定于S形管道玻璃芯片内部,构建出微芯片酶反应器。对于蛋白质组的酶解分析中,由于介孔硅的尺寸排阻效应,高分子量蛋白直接被排阻在酶解体系之外,通过分馏作用随前馏分流出。而低分子量蛋白可以保留在芯片填充物中进而被酶解,最终达到对低分子量蛋白的在线选择性酶解。对模式蛋白混合物和血清样品的酶解分析中发现,样品中低分子量蛋白酶解产生肽段个数以及质谱图数都比使用游离酶酶解时大大提高。此外,微芯片反应器还可以与毛细管微柱液相色谱系统相联用,实现样品的快速在线分析。3.Fe3O4-石墨烯-TiO2三元复合材料的合成及其对磷酸肽的选择性富集通过在石墨烯(graphene, GR)片层上静电吸附Fe3O4,并原位合成TiO2,成功构建出Fe3O4-GR-TiO2三元复合材料。该复合材料具有磁分离能力,磷酸肽亲和能力以及较大的接触反应面积三种优良的性能。研究中,选用α-酪蛋白和β-酪蛋白酶解液对三元复合材料Fe3O4-GR-TiO2的磷酸肽富集能力进行深入研究。研究表明,Fe3O4-GR-TiO2相比商品化的TiO2,在富集磷酸肽方面具有更强的选择性。同时,石墨烯基底所给予的增大的比表面,使其具备了较大的富集容量。最后,将Fe3O4-GR-TiO2三元复合材料用于生物样品人血清中内源性磷酸肽的富集,证明该材料在复杂的生物样品中对磷酸肽的富集同样具有很好的选择性和抗干扰能力。4.TiO2纳米管阵列/PDMS微器件用于芯片内的磷酸肽富集通过电化学阳极腐蚀的方法,在普通载玻片上制备出图案化区域的Ti02纳米管阵列。并以TiO2纳米管区域作为管道主体部分,以PDMS基底作为盖片,构建出微反应器件,用于芯片内的磷酸肽富集。利用入液口与出液口的液面高度差,实现了直接重力驱动进样,而无需借助其他设备。研究中,我们将电腐蚀电压、分馏馏分以及图案化形状对TiO2纳米管形貌富集效果的影响做了全面的分析探讨。本研究第一次将电腐蚀TiO2纳米管集成于微器件内部并用于蛋白质组学中磷酸肽的分离富集,采用重力驱动在1h内完成进样分离全过程,实现了生物样品的微量快速分析。