激光解吸离子化质谱(Laser desorption/ionization-mass spectrometry,LDI-MS)是一种重要的研究生物分子的方法,其利用能量转移介质吸收激光能量并转化为其它形式的能量用于生物分子的解吸和离子化。由于离子化发生的过程很快(通常为纳秒时间窗口)且伴随复杂的化学反应(质子转移、电子转移、阳离子转移、电子脱附等),导致对LDI离子化过程的研究十分困难。虽已有经典的有机基质或无机材料可以作为能量转移介质用于LDI,但对其离子化机理的研究却十分匮乏,导致目前各种能量转移介质的使用大多是根据经验选择,缺乏理论依据。对离子化机理的深入理解对质谱分析生物分子有重要的价值,不仅有利于改善生物分子的离子化效率,也有利于对其结构进行准确的鉴定。生物分子的结构与功能密切相关,故对生物分子的结构解析是其它工作开展的基础。糖基化是一种重要的翻译后修饰,形成了多种糖类生物分子,并参与了许多重要的生物学过程,如细胞黏附、细胞生长分化癌变、细胞识别、蛋白折叠、信号传导、免疫响应等。这些过程与糖的结构变化密切相关,故糖的结构鉴定非常重要。然而,由于糖类分子的生物合成具有无模板非线性的特点,导致其不能像核酸分子那样进行扩增,也不能像肽链那样通过固相合成,致使其样品量稀少,分析难度大。同时,糖类分子的微观不均一性也导致分析的难度加大,如糖基化类型多、糖基化位点差异大及同一位点的糖型变化多样等。串联质谱是目前分析糖结构的主要工具,但糖类分子的质谱离子化效率低、结构复杂多样且异构化程度高,导致其分析的难度进一步加大。目前的方法通常需要繁琐的衍生化技术及复杂的串联质谱分析过程辅助分析,这大大降低了糖链结构分析的效率。等离激元效应是光和等离激元纳米材料相互作用后产生的一种特殊的物理现象,即等离激元纳米材料表面的自由电子随光波的变化发生的集体震荡。贵金属纳米材料是典型的等离激元纳米材料,具有特殊的等离激元效应,已广泛用于增强拉曼光谱、增强荧光光谱、介导光化学反应等领域。基于等离激元效应的研究对相关领域的理论发展和实践指导均有重要价值。然而,等离激元在LDI-MS中的具体作用机理尚不清楚,由于LDI过程的复杂性,目前还难以通过研究等离激元效应对LDI-MS作出指导。本论文以等离激元纳米材料为离子化介质,通过对其离子化机理的探究将等离激元效应这种特殊的物理现象引发的化学变化用于LDI-MS,并在此基础上建立高效便捷的糖类生物分子质谱结构分析新方法。首先,本文提出了一种新的离子化机制,即等离激元诱导的电荷转移解吸离子化(Plasmon induced charge transfer desorption ionization,PICTDI)。通过理论模拟结合光谱实验和质谱实验的方法,我们证明了贵金属纳米材料与激光相互作用产生的等离激元近场增强效应与生物分子的离子化密切相关。在此基础上提出了PICTDI具体作用机制:在激光照射下,等离激元纳米材料,如金银纳米颗粒或其混合物,在等离激元近场增强作用下,将电子、质子或阳离子等电荷载流子从纳米颗粒转移至分析物使其离子化。无论在正离子模式还是负离子模式下,分子的离子化与等离激元近场增强效应密切相关。近场增强导致的这种电荷转移机制可以被介电材料阻断,同时快速的正负电荷转移也验证了电荷转移机制的存在。多种生物分子的离子化与等离激元近场增强效应诱导的电荷转移效率相关。这种机制不仅为等离激元效应引发的分子离子化提供了深入的理解,而且为新型等离激元纳米结构的设计奠定了理论基础。其次,在机理研究的基础上,我们提出了一种简便快速的糖链结构的高效鉴定新方法,即金纳米颗粒辅助的源内阳离子加成解离(Gold nanoparticle-assisted in-source cation adduction dissociation,AuNP-assisted isCAD)。本工作中我们首次提出了用具有等离激元效应的金纳米颗粒引发碎片化的策略。本方法中,金纳米颗粒既作为能量吸收剂用于离子化又作为碎片化的引发剂;同时,利用纳米颗粒表面残留的钠离子或人为加入的钠离子作为阳离子化试剂。加入钠离子可以引发强烈的碎片化而加入质子可以抑制碎片化,这种机制可以方便的用于碎片化程度的调节。此外,我们发现尺寸较大的寡糖和糖链更容易发生碎片化,而高浓度的纳米颗粒可以有效抑制碎片化提高分子离子丰度。相比于传统串联质谱技术,不需要任何额外的硬件和离子提取过程,本工作提供了一种简便、低耗、可调、高效的碎片化方法用于各类糖分子结构鉴定,包括单糖、寡糖和糖链。最后,基于前一部分工作的原理,我们提出了一种改进的糖的结构分析方法,即壳分离金纳米颗粒增强的源内阳离子加成解离(Shell isolated gold nanoparticle enhanced in-source cation adduction dissociation,siAuNP-assisted isCAD),用于糖的异构体鉴定。金纳米颗粒已被证明可以作为高效的离子化和碎片化介质,但其在精细结构方面的应用潜力还未被发掘。相比于金纳米颗粒,壳分离的金纳米颗粒具有更高的离子化碎片化效率。基于特殊的碎片化行为,异构体糖分子可以通过特征离子方便地进行区分。本方法可以用于不同的糖类异构体,如具有不同组成、连接方式和构型的二糖和路易斯抗原寡糖。此外,对异构体糖的相对定量分析表明本方法可以用于鉴别低至1%的异构体杂质,因此可以用于合成糖链的质控。相比于传统的糖类异构体分辨需要结合多种分离富集技术、衍生化技术和串联质谱技术,本方法无需额外的硬件、离子提取和复杂的统计分析,提供了一种简便快速高效的分辨异构体糖的方案。本方法未来也可用于复杂糖链异构体的鉴别,如末端连接异构的糖链和天线异构的糖链。