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基质辅助激光解吸电离（Matrix assisted laser desorption/ionization,MALDI）质谱（Mass spectrometry,MS）作为一种“软电离”技术,已在生物医学领域得到了广泛的应用,推动了核酸,蛋白质,多肽的研究发展。然而该技术受制于传统有机基质的背景噪声高（基质本身碎片在m/z＜1000被大量检出）,结晶不规律（微米尺寸的晶体）导致的信号的重现性低等问题,MALDI质谱在检测生物样品中的小分子存在严重的瓶颈问题。因此该领域对发展新型的MALDI基质有迫切需求。本论文通过构建纳米基质为特点的MALDI MS检测平台,在小分子物质鉴定检测、药物筛选以及纳米材料肿瘤治疗机制等生物医学应用方面进行了较深入的探究。本论文的具体工作内容分为以下几个方面:第一章:概述了 MALDI MS技术,各种基质的发展、应用以及其局限性;MALDI MS在各领域的应用,包括高通量筛选,新药研发等。本论文的选题依据和主要研究内容也在该章节进行简要介绍。第二章:研究快速灵敏的痕量抗生素监测技术对于防止抗生素滥用十分必要。在本章的课题工作中,我们将石墨点（Graphitedots,GDs）纳米基质结合MALDI MS技术对抗生素小分子及其代谢产物进行鉴定和检测,对其在活体实验中的吸收/摄取、血药浓度、器官分布以及在这些过程中发生的化学结构变化进行监测和高灵敏的定量分析（检测极限为飞摩尔级）;利用上述技术结合活体器官切片的组织形态学特征,对抗生素的小分子代谢物分布进行可视化成像分析。第三章:本章课题将计算机辅助的高通量药物虚拟筛选和石墨点纳米基质辅助的激光解吸电离质谱技术结合,发展了药物筛选和药代动力学研究可集成的新型平台（Graphite dots-assisted Laser desorption/ionization Mass Spectrometry as an integrated Drug screening and pharmacokinetic platform,GLMSD）。该平台技术被应用对含24万个化合物的文库进行快速筛选,成功发现了全新化合物作为已糖激酶2（Hexokinase2,HK2）抑制剂可用于胶质母细胞瘤治疗。与传统的药物筛选方法相比,GLMSD具有以下优点:（1）无标记,不受“盲区”的限制;（2）灵敏度高,耐盐性强,简化了样品预处理;（3）比传统的LC-MS筛选提高了 12倍的通量性能;（4）最小的样品体积（每次试验10μL）,使得“一只小鼠完成一条完整的药代动力学曲线”成为可能（消耗的最少的实验动物）。代表性化合物27（Compound 27）可高效抑制HK2酶活性。本章的实验揭示了化合物27使胶质母细胞瘤细胞重编程糖酵解途径正常化的机制;并且在分别皮下肿瘤小鼠模型和原位脑肿瘤小鼠模型中证明了 HK2抑制剂（Compound 27）和替莫唑胺药物分子可以协同杀伤对胶质母细胞瘤,取得优化的治疗效果。GLMSD的集成平台有望成为快速高效的药物研发的重要工具。第四章:纳米颗粒介导的光热疗法（Photothermal therapy,PTT）已进入早期阶段的临床试验,更好地了解PTT的分子机制对于提高治疗疗效和推广临床应用至关重要。本章课题工作首次对纳米材料如何通过光热治疗改善肿瘤乏氧的重编程分子机制进行研究。单层碳化钛@金（Ti3C2@Au）纳米材料作为光热剂来改善肿瘤乏氧和特异性诱导癌细胞凋亡,并且还可以作为MALDIMS的纳米基质来检测乏氧干预和正在发生凋亡的4T1细胞的小分子质谱信号。本章结合代谢组学方法对PTT改善细胞乏氧的分子信号通路进行深入探讨,发现磷脂酶C在肿瘤乏氧代谢调控和凋亡的机制中有十分重要的作用。纳米材料的光热作用通过对能量代谢,氨基酸代谢等关键途径进行了调控改善了肿瘤细胞乏氧;持续的光热治疗会诱导肿瘤细胞凋亡。第五章:在运动赛事和食品安全检查中,违禁药物和非法添加剂的监测仍需要发展灵敏和快速的分析方法。本章课题制备了 Ir/SiNW复合纳米材料,并研究其作为新型MALDI基质在检测低分子量违禁药物克伦特罗中的应用。该纳米基质具有足够的紫外吸收、低噪声背景和高效的辅助小分子电离等特点。用Ir/SiNW基质可对克伦特罗（LOD:0.18pmol）和其他多种小分子进行灵敏检测,基质测试重复性较好。与单独的各组分（Ir或SiNW纳米材料）相比,通过原位生长合成的复合Ir/SiNW基质在相同的实验条件下可以使质谱信号强度提高10倍。本章考虑了氢原子转移和杂化纳米结构界面上增强质子化等特性对该纳米基质的性能提出较好的机制解释。复合Ir/SiNW的纳米基质辅助的MALDI质谱可以在复杂的生物样本中定量检测克伦特罗,为非法添加剂监测提供了便捷有效的方法。第六章:对本论文所涉及的工作进行系统性总结。并针对其中的不足进行了分析,在此基础上进一步展望未来的工作。综上所述,本论文制备了碳、硅基纳米基质并应用于解决传统基质在MALDI MS检测小分子时的强背景噪声问题,并利用纳米基质的特性完成了高灵敏检测小分子化合物,全新药物筛选及纳米材料光热治疗肿瘤机制等研究。本论文研究成果对于推动MALDI MS方法学发展、拓宽MALDI MS在生物医学领域的应用具有重要意义。