生物分子聚合物是一类天然形成的功能性高分子,获得生物大分子的高级结构通常是分析它们生物学行为和认识其生物学功能的前提。表征生物分子与底物之间的相互作用以及研究生物分子反应活性是生物化学领域的另一项重要任务,生物分子的活性和功能同样具有结构依赖性。开发生物分子结构研究技术及相互作用分析方法仍是一项具有挑战性的课题。许多仪器分析方法被开发并应用于生物分子结构分析,如X射线晶体衍射、核磁共振谱等技术。有别于其他技术,质谱法具有分析速度快、灵敏度高等特点,也可用于研究生物分子结构。传统的质谱方法用于测量气相离子质荷比信息(m/z),生物大分子的线性序列信息可以通过串级质谱获得,气相离子/离子反应(如电子转移解离,ETD)可用于鉴别与定位蛋白质翻译后修饰(PTM)位点。然而气相离子化学研究还有许多问题亟待解决,如反应诱导解离难以获得(如ETD)生物分子构象与功能信息。因此,各种基于质谱的衍生方法被开发用于评价生物分子构象和分子间相互作用。在本研究中,我们基于离子阱质谱开发了一系列生物分子结构分析方法。为检测气相离子/离子反应中同时存在的正负离子,本文工作搭建了双极性线性离子阱质谱仪,提出了双极性生物质谱方法。通过离子轨迹仿真和硬件实验验证了概念和可行性,并进行了系统参数的优化。在线性离子阱一对弹射电极上施加额外的直流偏置电场,以获得双极性质谱图。双极性质谱图不仅包括常规质荷比(m/z)信息,也提供了样品离子带电极性信息。与传统方法相比,离子弹射与检测效率可以提高约一倍。另一方面,双极性生物质谱技术通过操纵相反极性离子云在离子阱中的空间分布,可动态控制和监测气相离子反应。我们应用此方法来控制离子反应进程并研究气相离子反应动力学,进一步提出了一种双极性碰撞诱导解离(dual-polarity CID)方法,可用于蛋白质组学研究,改善多肽序列覆盖率。为快速分析生物分子反应活性、精确定位反应位点,本文提出了一种基于气相离子/离子反应的选择性富集串级质谱法,气相多肽偶联磷酸吡哆醛(PLP)反应作为一个实例来验证此方法。首先在四极离子阱中实现生物分子与其底物的气相离子/离子反应,接着采用选择性富集串级质谱法,在另一个四极离子阱中选择性富集低丰度产物,通过串级质谱方法确定反应位点信息。应用密度泛函理论(density functional theory,DFT)计算辅助推测反应机理。这种方法可以快速表征结构依赖性的生物大分子反应,也可适用于生物分子构效研究。本文探讨和比较了四极离子阱质谱中的三种离子分子碰撞模型:Langevin碰撞模型、hard-sphere碰撞模型和混合碰撞模型(mixed collision models)。在伪势近似前提下,求解出hard-sphere碰撞模型和混合模型下离子阱中离子运动轨迹解析式。数值模拟和理论计算结果均表明,Langevin碰撞模型适用于描述低能量小离子与中性分子的能量交换过程,hard-sphere碰撞模型适用于描述高能量大离子与中性分子的能量交换过程。混合模型作为一种通用模型,可以在不同条件下对离子分子碰撞过程进行较为精确的描述。离子运动衰减过程的解析表达式与离子阱中镜像电流检测时域信号直接相关,通过算法可提供离子碰撞截面积信息。一种高精度数值仿真算法是研究离子阱中离子运动特征、仿真设计与优化离子阱质谱仪器的关键。本文探讨了基于四阶、五阶龙格-库塔算法的数值方法,求解离子在离子阱内的运动方程——Mathieu方程。通过MATLAB编程进行离子轨迹仿真实验,研究了计算精度、初值、时间步长等因素对计算结果的影响。研究结果表明五阶龙格-库塔算法可满足离子阱的仿真要求,实现高精度离子轨迹计算。为分析同分异构离子,本文开发了一种算法,通过时频分析方法处理四极离子阱中离子运动轨迹,进一步获得离子碰撞截面积数据。仿真实验设计了具备高阶成分电场的线性离子阱,充分考虑高阶电场与离子中性分子碰撞的影响,将四极离子阱中离子运动频率与离子运动振幅、时间、碰撞截面积构建解析函数方程式。因此可通过时频分析方法分析离子运动轨迹获得离子运动频率随时间的变化,进一步求算离子碰撞截面积。为了验证理论进行了仿真实验,通过仿真离子轨迹求算出缓激肽、血管紧张素I、血管紧张素II和泛素的碰撞截面积,并通过仿真实验鉴别了泛素同分异构体。综上所述,本文研究了离子阱中不同碰撞模型下离子运动特性,改进了离子运动轨迹仿真程序。研制了一种用于研究气相离子/离子反应的双极离子阱质谱仪,测试了一系列的反应体系。建立了基于离子阱阵列质谱仪的质量选择性离子传输与富集方法,实现了反应产物的串级质谱分析。设计了利用时频分析方法测定气相离子碰撞截面方法,通过离子大小区分同分异构体。由此,基于离子阱质谱构建了一套多尺度的气相离子结构分析策略。