细胞复杂性环境下蛋白质的高分辨三维结构、动态变化与相互作用研究是目前生物物理学领域亟需发展的方向之一。 双电子自旋共振（double electron-electron resonance, DEER）技术，通过观测两个顺磁中心之间的电子-电子偶极作用，获得两者间的距离信息，是目前应用最广泛的脉冲电子顺磁共振波谱距离测量方法。双电子自旋共振在距离测定方面具有高灵敏度、高分辨率和高抗干扰性的优点, 在生物体系中显示了较好的应用前景。然而生物体系中大部分蛋白质都不含有顺磁中心。对于不含顺磁中心的蛋白质, 需要通过定点修饰的方式引入顺磁标记。修饰标记反应的化学选择性与活性，以及待引入自旋标记物的特性如刚性、体积、稳定性、亲疏水性与静电性，是影响顺磁标记在DEER谱学研究中表现的关键因素。目前已有多种顺磁标签报道, 但是仍然缺乏能应用于多种蛋白质体系，特别是细胞原位复杂环境的优质顺磁标签。 因此,发展合适的蛋白质修饰路线和高性能顺磁标签以适用于复杂体系下的蛋白质等生物大分子的研究具有重要意义，是进一步推进细胞内生物大分子结构和动力学DEER研究的关键。本课题组从适应细胞内还原性环境的稀土金属离子钆(Gd)入手，发展细胞内DEER测量方法，并成功实现了超低温下细胞内蛋白质动态行为的研究。此外，本课题组针对应用最广泛的顺磁标记物，氮氧自由基(nitroxide radicals)衍生物类探针，在分子结构优化、正交标记方法应用与细胞内环境稳定方面进行了探索。