近年来,基于元素标记策略的电感耦合等离子体质谱(ICPMS)定量生物分析已经越来越引起学术界关注。由于生物分子中天然存在的非/类金属元素(如S,P,Se)和金属元素(如Fe,Mn,Co,Ni,Zn等)或者存在着元素离子化效率较低,或者有多原子干扰,或者是基于配位作用而导致元素结合不稳定等缺欠,引入外源的金属元素,特别是镧系元素及其同位素,来实现生物分子的元素标记和ICPMS定量分析逐渐成为了主流趋势,并展现出了广阔的应用前景。基于镧系元素标记策略的ICPMS生物分子定量分析方法,具有灵敏度高、线性范围宽、样品基质干扰小等优点,特别是同位素稀释方法的运用,使得生物分子绝对定量结果更加的准确和可信。目前而言,基于元素标记的生物分子定量分析策略已经从传统的in vitro分析方法学研究(例如,核酸和模型蛋白质标记)向实际生物体系中的in vivo生物分子靶向标记转变,从而为关键生物学问题的解决提供更多的客观情报和研究思路。然而,基于元素标记策略的ICPMS生物定量分析的一个关键科学问题就是如何特异性的将金属元素标记到生物分子上去,这种元素标记策略必须具有生物特异性好,反应动力学迅速,特别是标记策略生物兼容性要好,而且具有明确的元素标记化学计量比等基本条件,这就使得发展生物分子特异性元素标记策略成为了大家越来越感兴趣,同时也极具挑战性的研究课题。从分析方法的选择性和灵敏度两大核心问题出发,我们在本论文中针对如何特异性地实现生物分子元素标记并且运用到实际生物体系这一具有挑战性的科学问题进行了研究。我们以点击反应为桥梁,从基于蛋白酶生物活性和生物代谢的标记策略出发,实现生物分子的特异性/专一性镧系元素标记,解决目标生物分子标记选择性和ICPMS检测灵敏度的问题,并将这种标记策略扩展到实际的生物学体系,探索和尝试了一些生物学热点问题的研究。本博士论文包括以下六个部分内容:第一章主要介绍并且梳理近年来基于元素标记策略的生物分子定量分析方法,并且简要分析和探讨其中存在的问题。另外,针对近年来在化学生物学研究领域兴起的生物正交反应及其在化学和生物学研究中的应用做了基本的介绍和阐述。第二章以铜催化的点击化学反应为桥梁,基于酶生物催化活性的元素特异性标记策略,实现细胞色素氧化还原酶P450 3A4亚型(CYP3A4)的特异性元素铕(Eu)的标记,并利用153Eu-形态非特异性同位素稀释ICPMS对其进行了绝对定量分析;与CYP3A4的生物活性关联起来,使得我们不仅可以测得CYP3A4的绝对含量,而且能够从ICPMS测得的结果对其酶催化活性进行评价。第三章瞄准活细胞内的谷胱甘肽巯基转移酶Omega 1(GSTO1),利用无铜催化点击反应和酶生物活性的特异性标记策略,实现了细胞内GSTO1的荧光成像和定量分析;利用同位素稀释ICPMS定量方法研究了抗肿瘤药物顺铂对细胞内GSTO1表达含量的影响。和荧光成像方法相比,尺寸排阻色谱分离(SEC)与同位素稀释ICPMS定量方法相结合能够克服细胞内游离小分子和多余元素标签的干扰,得到了准确的GSTO1的定量信息。第四章以细菌为研究对象,利用炔基修饰的D-丙氨酸(D-Ala)可以代谢组装细菌细胞壁肽聚糖结构中,结合铜催化的点击反应实现了细菌细胞壁肽聚糖结构中D-Ala的专一性有机染料和Eu元素标记,实现了其成像和定量分析。通过同位素稀释的方法得到了细菌细胞壁肽聚糖结构中D-Ala的准确含量,结合细菌数目计数,我们得到了细菌表面D-Ala密度这一参数(dDA),dDA使我们能够进一步考察细菌细胞壁肽聚糖中D-Ala的调节功能,也为利用ICPMS进行细菌计数分析提供了一条有效途径。另外,我们着重考察了在抗生素作用下细菌细胞壁肽聚糖中D-Ala的含量变化,并对相应的抗生素杀菌机理和耐药性机制做了初步探索和讨论,深化了我们对抗生素以及细菌细胞壁结构本身的认识,为将来设计和评价针对细菌细胞壁的新抗生素药物进行了理论和技术储备。第五章面向细胞表面的关键糖苷分子-唾液酸糖苷,假以生物特异性代谢机制并结合无铜催化生物正交反应,实现了细胞表面唾液酸的成像和定量分析。在所建立的软性多维分析平台上可以进行荧光分子和元素标签分别标记,实现了细胞表面唾液酸的荧光成像和ICPMS定量分析;使用含硼元素的有机绿色荧光染料BODIPY可进行同时唾液酸成像和11B-ICPMS定量分析,实现了一维靶向、二维分析的目标。第六章总结了本博士论文研究所取得的研究成果;探讨了基于电感耦合等离子体质谱和生物特异性元素标记的生物分析研究中尚存在的问题和进一步研究的目标,并展望了这一研究领域的发展趋势。