随着生命科学研究飞速发展和后基因组学时代到来,蛋白质作为生命活动的执行体,调节着生物体内诸多重要的生理生化活动。监测蛋白质动态变化、翻译后修饰状态以及研究蛋白质结构功能等对于人们认识生命活动的本质有着极为重要意义。其中,蛋白质磷酸化不仅参与生物体内诸多生命活动,还与多种疾病的发生发展息息相关。作为蛋白质组学研究的核心技术,生物质谱在磷酸化蛋白质组研究中发挥着重要作用并得到了广泛应用。然而,由于生物样本的复杂性以及在磷酸化蛋白质组分析中存在的大量非磷酸化肽段对磷酸肽质谱分析造成的信号干扰,使磷酸化蛋白质组分析面临巨大挑战。此外,在“bottom-up”分析策略中,传统溶液酶切法耗时长,易发生酶的自切,极大影响了蛋白质鉴定通量和覆盖率。因此,发展快速、高效的蛋白质样品预处理新方法是提高蛋白质分析灵敏度和鉴定效率的关键。本文针对以上问题,（1）发展了两种基于新型功能化磁性纳米材料的磷酸肽富集分离新方法并成功应用于实际生物样本,克服了基于固相金属离子亲和色谱法富集磷酸肽特异性差的缺点,并提高了磷酸肽的鉴定效率;（2）制备了一种基于磁性金属有机框架（metal-organic frameworks,MOFs）材料的新型固定化酶反应器,显著提高了蛋白质酶切效率并成功应用到小鼠卵母细胞蛋白样本的快速高效酶切。本论文中,首先阐述了不同材料在蛋白质组学样品前处理过程中的国内外研究现状,包括功能化磁性纳米材料用于磷酸肽的快速富集和固定化酶反应器,以及金属有机框架材料的研究进展与应用等。其次,基于镧系金属表面电子云分布及其与磷酸根可产生相互作用的特征设计合成了一种混合镧系金属(Tb³⁺,Tm³⁺,Ho³⁺,Lu³⁺)固载的新型功能化磁性纳米材料,Fe₃O₄@TCPP-DOTA-M³⁺,并将其应用于磷酸肽的快速、特异性富集。材料合成中,TCPP（tetrakis（4-carboxylphenyl）porphyrin）的应用不仅可以提高DOTA和镧系金属离子的负载量进而增加材料与磷酸肽的碰撞几率,同时也可以提高磁性纳米材料的亲水性从而获得更高的磷酸肽富集效率。另外,大环配合物DOTA（1,4,7,10-tetraazacyclododecane N,N’,N’’,N’’’-tetraacetic acid）可与镧系金属螯合形成热稳定性极高的金属复合物,进一步增强材料的整体稳定性。实验结果表明,当5 pmolα-酪蛋白酶切产物经新材料富集分离后可鉴定19条磷酸肽。即使在100倍（摩尔比）BSA蛋白酶切产物干扰下,经新材料富集分离后仍可鉴定到16条磷酸肽,其特异性明显优于商品化的TiO2材料的富集鉴定结果。该新型功能化磁性纳米材料进一步应用于HeLa细胞蛋白提取样品的磷酸肽富集。在单次质谱鉴定后,可成功检测到9048条磷酸化肽段对应2103个磷酸化蛋白质组。另外,为了系统分析不同金属离子与磷酸根相互作用行为差异,设计合成了不同金属离子(Ti⁴⁺,Zr⁴⁺,Fe³⁺,Tb³⁺,Tm³⁺,Ho³⁺)固载的新型功能化磁性纳米材料,Fe₃O₄@TCPP-DOTA-Ms,并成功应用于多位点磷酸化肽段特异性富集。实验结果表明,Fe₃O₄@TCPP-DOTA-Tb,Ti富集磷酸肽效果明显优于其他金属离子固载的材料,并且在鉴定到的磷酸肽中多位点磷酸化肽段的比例也较高。实验结果进一步证明,固载过渡金属的磁性纳米材料富集磷酸肽的灵敏度优于固载镧系金属的材料,而固载镧系金属的磁性纳米材料富集磷酸肽的选择性优于固载过渡金属的材料。结合过渡金属和镧系金属的优势,采取Fe₃O₄@TCPP-DOTA-Tb/Ti联合富集的策略,在HeLa细胞中成功鉴定到了13450条磷酸肽对应2965个磷酸化蛋白质组,富集特异性高达94%。其中,多位点磷酸化肽段占总磷酸肽的比例超过了50%,结果明显优于DHB/TiO2的富集鉴定方法（13.39%）。最后,由于固定化酶反应器可极大缩短蛋白质酶切时间,且MOFs材料具有较大的比表面积和可选择的作用位点,因此将二者结合制备了一种磁性MOFs材料基固定化酶反应器,Fe₃O₄@DOTA-ZIF-90-trypsin,并成功应用于小鼠卵母细胞蛋白样本的蛋白质组分析。本工作合成的新型磁性MOFs材料既具有良好的磁响应,又具备MOFs材料比表面积大、结构及热稳定性高等优势。将胰蛋白酶通过与磁性MOFs材料表面的大量醛基共价连接在磁性MOFs材料表面,获得新型固定化酶反应器。实验结果表明,BSA蛋白经1 min酶切后,获得了77%的氨基酸序列覆盖率,其酶切效率优于12 h传统溶液酶切结果（70%）。小鼠卵母细胞蛋白提取样本经20 min酶切后,单次质谱鉴定可检测到8957条肽段对应1843个蛋白质组。与传统溶液酶切相比,在酶切后鉴定的肽段和蛋白质组数目上新方法有67%和40%的提高。本研究不仅发展了一种磁性MOFs材料快速有效的合成策略,同时也进一步扩大了MOFs材料在蛋白质组学中的应用。