解析生物大分子的序列和结构是理解其生物学功能和相关生理、病理分子机制的关键。串联质谱（MS/MS）碎片离子分析是当前生物大分子组学序列鉴定的核心技术。商品化串联质谱主要采用电场加速蛋白质等离子与惰性气体分子碰撞（HCD/CID），将动能转换为内能并引发分子骨架解离产生序列特征碎片离子。由于气体分子碰撞能量转换效率低，需要10 ms以上的活化时间与气体分子多次碰撞，破坏了非共价相互作用和高级结构，通常只能有效解离3 kDa以下的多肽和核苷酸。常规蛋白质组学和基因修饰组学质谱分析都需要首先将蛋白质和核酸大分子酶切为短链多肽和核苷酸，丢失了大分子变体和相互作用等关键功能信息。因此，解离效率低、速率慢、难以探测非共价相互作用是当前串联质谱表征的瓶颈问题。
波长小于200 nm的高能/真空紫外激光可在单脉冲皮秒-纳秒内将30 kDa以上蛋白质直接激发至电子激发态，开启更多骨架解离通道产生前所未有的序列、结构特征碎片离子。由于高能紫外激光对蛋白质的解离速率快于其构象变化（微秒-毫秒），碎片离子保留了原位非共价相互作用和高级结构信息。目前可用于蛋白质紫外激光解离（UVPD）的主要是193 nm ArF准分子激光，相关串联质谱尚无商品化设备。由于高能紫外光源和串联质谱仪器的限制，光子能量更高的150 nm以下极紫外激光（Extreme ultraviolet laser）对生物大分子的解离鲜见报道。UVPD具有能量激发效率高、速率快、可表征大分子非共价相互作用和高级结构等优势，是一种变革性串联质谱技术，但相关仪器和理论都亟待发展。
本课题组致力于生物大分子质谱新仪器、新方法及其在生命健康领域的应用研究，近五年获得的创新成果包括：（1）利用极紫外自由电子激光大科学装置等先进激光光源，搭建了世界首台50-150 nm皮秒脉冲极紫外激光解离装置并开发了蛋白质串联质谱光解离碎片分析软件，与商品化HCD相比解离速率提升7-10个数量级，首次探测到蛋白质非变性电喷雾离子化过程中的瞬态结构变化；（2）提出了通过超快光解离碎片离子产率定量表征蛋白质结构变化的质谱分析新原理，实现了免疫受体CD28-激酶PKCθ等高度动态复合物识别分子机制的单氨基酸位点分辨、高灵敏度分析；（3）发展了193 nm脉冲紫外激光10 ns光化学氧化等蛋白质原位化学标记创新仪器和方法，通过位点标记效率和溶剂可及性实现对低纯度、亚微克蛋白质复合物动态识别和界面精细结构的高灵敏度分析，精确表征了病毒刺突蛋白S1结合ACE2受体或二维纳米材料等动态过程中的界面结构和关键识别位点。