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基质辅助激光解吸附离子化飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)具备的一系列优势,诸如样品制备方便,软电离离子化,样品碎片率低,灵敏度高,盐耐受性好,以及数据采集速度快、通量高,使得其越来越广泛地应用在样品检测鉴定中,但是其应用仍然受到一些因素的制约：在小分子分析检测方面,传统基质会在低分子量区域产生很强的内源性背景峰,使得谱图复杂而难以解析,同时抑制目标分析物信号,干扰小分子分析物检测鉴定,因而小分子MALDI检测离不开功能性纳米材料作为新型解吸附离子化基质的开发；而在其应用最广泛的蛋白质组学研究领域,一些翻译后修饰(PTM)蛋白质和肽段,如磷酸化肽段,由于其低丰度和高动态范围,直接分析往往也无法顺利检出,因而需要依赖功能性纳米材料进行质谱分析前的分离富集预处理。本论文借助纳米材料这一广阔平台,根据质谱分析中的不同需要,合成了一系列不同种类不同形貌的功能性纳米材料,最终用于质谱分析基质和磷酸化肽段分离富集预处理过程。此外,我们还将微芯片概念引入其中,实现了小量样品快速分析的预处理效果。其具体内容如下：1.氮掺杂石墨烯作为负离子MALDI-TOF MS替代基质用于高效小分子检测通过使用气相三聚氰胺作为氮源合成得到了氮掺杂石墨烯(gNG),并首次将其用作MALDI-TOF MS的基质,在负离子模式下分析小分子。不同于正离子模式出现的复杂多重加合峰,在负离子模式下用gNG作为基质,仅仅产生相应的分析物分子去质子离子峰,且不存在基质干扰。基于gNG辅助的解吸附/离子化(D/I)过程,可以顺利实现对一系列低分子量分析物的高灵敏检测应用,包括氨基酸,脂肪酸,肽段,类固醇激素以及抗癌药物。而且和传统有机基质CHCA以及其他碳基底材料相比,gNG在负离子模式下有着更高的激光解吸附／离子化(LDI)效率。通过比较一系列石墨烯基底基质,我们发现了两个对gNG高LDI效率具有重要影响的因素。基质有着良好的盐耐受性和高灵敏度,可以应用于对实际样品的分析,对人血清中的抗癌药物尼罗替尼可以实现1mM-1μM浓度范围内的清晰检出,证明该材料在药物直接临床监测中的适用性。2.Fe3O4-石墨烯-TiO2三元复合材料的合成及其在磷酸肽富集中的应用通过在石墨烯(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。鉴于该复合材料的三元组分,其具有磁分离能力,磷酸肽富集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。3.TiO2纳米管阵列集成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,首次在普通载玻片上制备出图案化区域的Ti02纳米管阵列。并以Ti02纳米管区域作为管道主体部分,以PDMS基底作为盖片,构建出反应微器件,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,我们实现了直接重力驱动进样,而无需借助其他设备。研究中,我们将分馏馏分、电腐蚀电压以及图案化形状对Ti02纳米管形貌富集效果的影响做了全面的分析探讨。本研究首次将电腐蚀Ti02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1 h内完成进样分离全过程,实现了生物样品的小量快速分析。