代谢组学是对某一生物或细胞在一特定生理时期内所有低分子量代谢产物（MW<1000 Da）进行检测分析的一门新兴学科。从生理机能角度出发,人体最终代谢产物能够有效表征正在进行的病理或生理过程。与传统的蛋白质组学和基因组学方法相比,代谢组学描述的是生物体在目前环境下的代谢情况,因此与疾病表型的关系最为密切,此外,由于人体内代谢物相较于蛋白质、基因而言,数量更少,仅为2000多种,因此更利于建立基于代谢组的疾病监测及生物应用方法。除此之外,代谢物在不同物种间没有差异。基于小鼠代谢模型得到的生物学信息可能可以很好地用于解释某些人体内的相应变化机理。因此,代谢组学引起了诸多研究者的广泛兴趣。目前,常用的代谢物检测手段有生化检测、质谱、核磁共振等。因为生化方法需要基于特定化学反应,因此仅能用于靶向代谢分子的检测,而无法用于代谢组学检测。核磁共振可以用于检测多种代谢物,检测结果非常稳定,且前期预处理简单,但由于其灵敏度不高,很难用于绝对精准的定量检测。与核磁共振相比,传统质谱学方法虽然具有高选择性和高灵敏度的特点,但样品制备过程较为复杂,检测过程会造成部分代谢物的损失。与传统的质谱测定方法不同,激光解吸电离质谱（LDI MS）可以提供秒级的分析速度和精确的质量测量用于代谢物鉴定,且成本低廉易于被大规模临床推广应用。但是LDI MS目前仅被广泛用于蛋白质组、多肽组以及基因突变的检测。例如,在基于蛋白质组的微生物检测应用中,由于每种微生物都有自身独特的蛋白质组成,因而拥有特定的蛋白质指纹图谱。临床上可通过LDI MS测得待测微生物的蛋白质指纹谱图,通过对这些指纹谱图进行处理并和数据库中各种已知微生物的标准指纹图谱进行比对,从而完成对微生物的鉴定。与现有传统的微生物鉴定技术相比,该方法具有操作简单、快速、通量高、灵敏度高、准确度好、试剂耗品非常经济等优势。此项检测技术目前已获得FDA、CFDA批准用于临床微生物鉴定。而基于基因组的检测应用中,Sequnom质谱法将稳健的单碱基引物延伸反应与灵敏可靠的LDI MS的优点相结合,提供了高灵敏性低成本的SNP检测服务。此项检测技术目前已获得FDA批准用于临床耳聋基因等突变基因位点检测。与此相对应的,针对代谢组学的LDI MS分析目前仍没有很好的应用。上述问题主要是由于没有适用于LDI MS代谢组检测的优良基质导致的。传统的LDI MS基质为小分子有机酸,容易在激光作用下碎裂而造成在低分子量端的背景噪声干扰。此外,传统基质与待测物的共结晶不均匀,容易导致“热点”效应,严重影响检测重复性。因此,包括我们的研究组在内的许多实验室都开始寻找可取代传统有机基质的无机纳米材料。目前大量研究已证实无机纳米颗粒在激光辐照下有助于辅助待测物的离子化/解吸脱附过程,从而增强代谢物的检测效率。这其中包括金属和金属氧化物纳米粒子、碳基纳米材料、硅基纳米材料等。它们均具有出色的光吸收系数和传热效率,并且在LDI过程中基于纳米结构的基质碎裂非常少,因此由基质碎片引起的干扰大大降低。然而,在实际检测中,上述无机纳米材料仍面临检测灵敏度低、基质团簇峰高、制备工艺复杂、成本高昂等诸多问题。另外,在临床应用方面,临床生物样本中成分复杂,代谢物丰度低,很难实现实际样本的代谢物分析。其次,找到生物代谢组与合格的临床样本间关系,实现精准诊断应用也颇具挑战。由于碳基材料本身碳团簇很难克服,本论文中将重点结合金属材料的高紫外吸收、低熔点、表面等离激元效应等特性,以及硅基材料的易于功能化、低热导等特性,制备而成金属复合纳米材料。针对本领域尚未解决的科学与应用问题,本论文中以质谱搭载新型金属复合纳米材料为切入点,从材料的不同表面物理、化学性质出发,构建了多个多功能平台,在代谢组学检测的同时实现了细菌抑制、高效催化等目的,并深入研究了代谢组学在疾病检测、微生物感染、药代动力学研究中的应用。（1）我们首先基于银镜反应制备了新型银核壳纳米颗粒,使用该材料可实现微量生物体液样品（500 nL）的自动化及高通量的靶向代谢物检测,并讨论了材料制备参数如反应时间、反应次数、以及反应温度等在激光解吸电离质谱检测标准代谢小分子方面的影响,并用于后续生物样本如血清、脑脊液内代谢小分子的检测。临床检测方面,基于葡萄糖的定量检测为术中实现脑感染患者的精准诊断提供了新的思路,还基于甘露醇的定量检测实现了脑水肿患者用药前后的药代动力学研究。（2）细菌的早期发现和长效抑制是临床微生物诊疗的难点。前章所述的银核壳纳米颗粒相较于块状材料可以提高热载流子产率,从而用于提升待测物的离子化效率,但在细菌共孵育以验证其细菌抑制能力的实验中不便于将其与细菌体系进行分离。此处我们引入磁性纳米颗粒作为内核制备了具备磁性的银核壳纳米颗粒,与纳米银的抑菌功能耦合,同时完成了大肠杆菌感染的体外检测及抑制性能的研究:以银核壳磁性纳米颗粒作为基质进行非靶向的代谢组分析,实现了 10个微量大肠杆菌的质谱检测;以银核壳磁性纳米颗粒作为细菌抑制剂,可达到对大肠杆菌的长效抑制,抑制时长能达到至少5天。最后,通过代谢组学检测证实了磁性银核壳纳米颗粒存在情况下细菌抑制的生物过程。（3）胰腺癌患者常伴随有葡萄糖代谢异常等临床症状。已开发的银基纳米材料虽已在葡萄糖靶向检测以及非靶向代谢组分析中取得大量结果,但由于纳米银本身性质活跃、易被氧化,无法长期稳定保存,因此限制了其在临床上的广泛应用。此外,银基纳米材料作为基质时,会因为银离子的竞争加成优势,对于同一物质产生4种分子离子峰。在靶向检测时,可以通过这种方式提高分子鉴定的准确性,但在非靶向检测时则对后期谱图指认造成了巨大困扰。铂具有高效催化活性,其作为纳米反应器被广泛用于生物酶替代应用中。同时,铂性质稳定,以此为基质得到的质谱谱图明确。因此,我们开发了铂核壳纳米磁性颗粒作为多功能即时检验平台,为胰腺癌患者的即时快筛和精准诊断提供了新的思路。在即时快筛方面,我们利用了铂核壳纳米磁性颗粒的高效催化活性,通过铂催化葡萄糖显色反应在5分钟内实现了葡萄糖含量的定量检测。在精准诊断方面,我们将铂核壳纳米磁性颗粒作为质谱基质材料用于血清代谢组指纹图谱的采集提取,并利用多元统计学方法以及机器学习算法对胰腺癌患者和健康对照人群进行了区分,模型的最佳诊断敏感性为84%,特异性为92%。我们还进行了差异代谢物挖掘,找到了 4条与胰腺癌高度相关的代谢通路,有望用于未来相关疾病生物学研究的依据。总之,本文为临床代谢分析材料设计打下了基础,并能以此开发个性化工具开展疾病的诊断、细菌的鉴定以及药代动力学的研究等。