核酸、蛋白质以及小分子代谢物等生物分子是生命活动的重要参与者,生物分子信息的准确读取对于研究生命活动机制、发展疾病诊治方案、指导生物能源开发均具有重要意义。然而,生物样品成分复杂,生物分子在种类、丰度、活性等方面差异巨大,亟待发展快速准确的生物分子定性、定量分析方法。质谱技术凭借其高灵敏度、高准确度和高选择性等优点,已逐渐成为生命科学研究领域中重要的研究工具。其中,基质辅助激光解吸电离质谱（MALDI-MS）和常压电离质谱（AMS）技术,分别在生物分子高效解吸电离以及生物样品原位分析中具有独特的技术优势,因此在生物样品检测分析以及生物过程原位监测方面具有广阔的应用前景。本论文基于MALDI-MS技术分别开发了以质量条形码纳米探针为识别介质和以氮掺杂石墨烯量子点为基质的质谱分析新方法,分别实现了蛋白酶活性的质谱测定与生物组织中代谢物分子的质谱成像。另一方面,利用AMS在生物样本原位采样分析方面的技术优势,我们发展了基于AMS的微生物产电过程中代谢物变化监测新方法,实现了微生物燃料电池中微生物产电过程的原位质谱监测。主要内容如下:1.基于质量条形码纳米探针的质谱分析技术用于Caspase-3活性评估MALDI-MS技术具有高灵敏、高通量和免标记等优势,为酶活性评估提供了理想的技术手段。本研究中,我们以细胞凋亡机制中关键的终末剪切酶Caspase-3为研究对象,开发了以Fe3O4纳米球为核、修饰质量标签的Au NPs为卫星的核-卫星结构质量条形码纳米探针,借助MALDI-MS实现了对Caspase-3蛋白酶活性的定量分析。利用目标酶剪切底物肽段连接链导致的Au NPs解离,将酶切事件转化为纳米探针上质量标签离子信号的变化,通过MALDI-MS技术获取质量标签离子信号,进而与酶活性建立定量关系。此方法操作简便,灵敏度高,无需荧光标记即可实现对蛋白酶活性的准确测定。此外本工作设计的质量条形码纳米探针可直接内化到细胞中进行工作,为细胞内蛋白酶活性的质谱检测提供了可能,也为揭示细胞凋亡机制和开发创新药物开辟了新途径。2.以氮掺杂石墨烯量子点为基质的MALDI-MSI技术用于鼠脑组织切片成像基质辅助激光解吸电离质谱成像（MALDI-MSI）技术通过各像素点质谱信号采集,利用目标离子信号实现待测物在二维/三维空间上的图像重构。MALDI-MSI可以对样品中多种目标物的组成、相对丰度及空间分布情况进行快速分析,因而广泛应用于医学、生物学、药代动力学等研究领域。然而,在MALDI-MSI技术中,传统基质存在背景信号高和检测重现性差等问题,导致其在低分子量目标物质谱检测与成像方面十分受限。本章中我们以高温微波切割法获得氮掺杂石墨烯量子点（NGQDs）,开发了NGQDs作为基质的MALDI-MSI新方法,并成功用于鼠脑组织切片中低分子量代谢物的成像分析。与常用基质DHB辅助的MALDI-MSI方法相比,以NGQDs作为基质的MALDI-MSI方法能更灵敏地检测鼠脑组织切片中小分子代谢物,特别是在负离子模式下表现优异。我们进一步以NGQDs为基质对创伤性脑损伤（TBI）模型鼠脑组织切片进行MALDI-MSI分析,发现酪氨酸等低分子量代谢物在脑损伤区域丰度明显低于正常位置。这一新型的MALDI MSI方法为研究生理、病理过程中小分子变化规律提供了一种有效的技术途径。3.基于常压电离质谱技术的微生物产电过程代谢变化监测目前对产电微生物产电过程的研究更多集中在电信号的测量,而对于微生物产电行为所伴随的表面状态和分泌物变化的研究却涉及较少。针对该问题,我们利用常压电离质谱技术（AMS）在实时原位分子信息读取方面的优势,搭建了两套常压离子源装置。其中,气压进样萃取电喷雾电离（EESI）质谱旨在研究微生物燃料电池（MFC）中微生物在完全厌氧环境下产电时分泌于电解液中的代谢物分子;纳喷雾解吸电喷雾电离（nano-DESI）质谱主要监测电极表面微生物代谢物的变化。研究中,我们系统考察并探讨了电解质成分、工作电极材料以及萃取溶剂对产电微生物代谢物质谱检测效果的影响。最终实现了不同环境下产电微生物在产电过程中生物分子的原位、实时、在线监测。本研究为微生物燃料电池中生物产电过程和电极界面物质变化监测提供了可行方案。