一、代谢组学技术平台

1. 核磁共振（NMR）
原理：
- 利用原子核（主要是¹H）在磁场中的共振吸收特性
- 不同化学环境的氢原子具有不同的化学位移
- 通过一维（¹H-NMR）和二维（COSY、HSQC、HMBC）谱图解析代谢物结构
优点：
- 非破坏性，样本可重复使用
- 无需色谱分离，样品制备简单
- 定量准确，重现性高
- 可检测所有含氢代谢物（无偏向性）
缺点：
- 灵敏度低（比MS低3-5个数量级）
- 分辨率有限，复杂样本谱图重叠严重
- 难以检测低丰度代谢物
应用：
- 体液代谢组学（尿液、血液）
- 样本非常珍贵的情况（需要后续其他分析）
- 实时动态监测（如流动注射NMR）
2. 液相色谱-质谱联用（LC-MS）
原理：
- 液相色谱（LC）：根据代谢物在固定相和流动相之间的分配系数差异进行分离
- 反相色谱（RP-C18）：分离非极性/中等极性代谢物（如脂质、脂肪酸）
- 亲水作用色谱（HILIC）：分离极性代谢物（如氨基酸、糖类、核苷酸）
- 质谱（MS）：LC洗脱的代谢物经ESI离子化，进入质谱仪检测
- 高分辨质谱（HRMS）：Orbitrap、Q-TOF，精确分子量<5 ppm
- 串联质谱（MS/MS）：提供碎片信息，用于结构鉴定
优点：
- 灵敏度高（fmol-pmol级别）
- 覆盖范围广（可同时检测数千种代谢物）
- 分辨率高，可区分同分异构体
缺点：
- 离子化效率差异导致定量偏差
- 基质效应（matrix effect）：复杂样本中共同洗脱物质抑制或增强信号
- 样本制备要求高
3. 气相色谱-质谱联用（GC-MS）
原理：
- 气相色谱（GC）：样本气化后，在色谱柱中根据沸点和极性分离
- 质谱（MS）：EI（电子轰击）电离，产生特征性碎片谱图
- 数据库：NIST/EPA/NIH Mass Spectral Library（超过250,000张标准谱图）
优点：
- 重现性极高，保留时间稳定
- 有完善的EI谱图数据库，便于鉴定
- 定量准确（使用内标法）
缺点：
- 需要样本衍生化（硅烷化、甲基化），增加样品制备复杂度
- 只能检测热稳定和挥发性代谢物（分子量<500 Da）
- 不适用于大分子、极性代谢物
应用：
- 植物代谢组学（挥发性代谢物丰富）
- 脂肪酸分析
- 氨基酸和有机酸分析（衍生化后）
4. 其他技术
CE-MS（毛细管电泳-质谱）：
- 分离原理：基于电荷/质量比的电泳迁移
- 优势：分离效率高，适合极性代谢物和离子型代谢物
- 应用：氨基酸、有机酸、核苷酸分析
MALDI-MSI（基质辅助激光解吸电离质谱成像）：
- 原理：在组织切片上直接进行质谱分析，获得代谢物的空间分布
- 应用：肿瘤代谢异质性、药物组织分布
5. 技术选择策略
| 样本类型 | 推荐技术 | 理由 |
|----------|----------|------|
| 血清/血浆 | LC-MS (RP + HILIC) | 覆盖极性和非极性代谢物 |
| 尿液 | NMR或LC-MS | NMR定量准确，LC-MS灵敏度高 |
| 组织 | LC-MS或GC-MS | 根据目标代谢物类型选择 |
| 植物提取物 | GC-MS + LC-MS | 挥发性用GC-MS，极性用LC-MS |
| 脂质组学 | LC-MS (RP-C18) | 反相色谱分离脂质效果好 |
| 单细胞 | LC-MS (高灵敏) | 需要极低样本量 |