代谢组学是定量地研究生命体内代谢物及其相关代谢通路在生命系统被扰动后（如基因改变、疾病状态或环境变化）的变化及其变化规律的科学。通过对生命体代谢组的研究能够更直接、更准确地探测到生物体的生理和病理状态，深入全面地了解疾病发生的机理，进而实现对疾病的早期诊断和治疗。质谱分析技术已广泛应用于代谢组学的研究中，其具有检测范围广，高选择性和高灵敏度的特点，同时质谱分析能够提供化合物的分子量和结构信息，有利于代谢物的结构鉴定。本论文的研究工作主要是发展新型质谱分析方法并将其应用于生物学问题相关的代谢组学研究中，通过分别开发高效的靶向代谢组学方法和非靶向代谢组学方法，扩充可检测的代谢物的数目和种类，提高代谢物结构鉴定效率和准确率，以及代谢物定量分析的准确度，结合数据处理方法实现代谢组学研究的高通量、全定量和自动化的分析目标。在建立高效新型代谢组学研究方法的基础上，在系统层面上对生物样品中的所有小分子代谢物进行检测，特别针对以果蝇为模式动物的衰老模型，寻找具有显著变化的代谢物及其相关的代谢通路，深入认识和了解生命体衰老的分子生物学机理。　　第一部分研究工作，我们成功开发了基于串联三重四极杆质谱的靶向代谢组学平台MRMAnalyzer。首先，我们利用HILIC色谱分离结合多反应监测(Multiple Reaction Monitoring，MRM)以及正负离子切换(positive/negative ion polarity switch)技术建立了HILIC-MS分析方法，该靶向代谢组学方法能在15分钟内同时定量检测182个代谢物，实现了对样品中极性小分子代谢物的快速、准确和高通量的相对定量分析。其次，相应地我们开发了数据分析平台MRMAnalyzer，实现了对大规模靶向代谢组学数据的自动化处理。　　在第二部分研究工作中，我们利用数据依赖型数据采集方法(Data-Dependent data Acquisition，DDA)，发展了适用于同时进行代谢物定量分析和定性分析的非靶向代谢组学方法。根据色谱峰峰宽(peak width)的不同，我们系统地优化了一级质谱扫描时间(MS1accumulation time)、二级质谱扫描时间（MS2accumulation time）以及一个cycle里进行二级质谱扫描的次数等，该最优DDA方法能够同时满足代谢特征峰高灵敏度和二级谱图覆盖度高的非靶向代谢组学方法要求。　　第三部分研究工作，我们结合数据非依赖型数据采集方法(Data-independent data Acquisition，DIA)和靶向提取的分析策略，发展了基于SWATH数据自建库的代谢组全定量方法。在这一工作中，我们从SWATH数据出发构建其自身DIA数据库，并进一步地针对DIA数据的定量方法进行了全面而系统的评价。该方法构建的数据库代谢物覆盖范围广、二级谱图质量高并且具有较高的重现性。我们系统地考量了采用不同方式对代谢物进行准确定量的效果，其中包括选择Int_max，PPC_max，Occurrence frequency_max，Interference level_min和top-N_sum。结果显示，选择信号强度最高的子离子用做代谢物的定量分析准确度最高。我们将发展的这一方法应用到小鼠肝脏样品中，最终构建了包括5，400个代谢物的DIA数据库，并对这些代谢物进行了准确的定量分析。　　第四部分研究工作，我们发展了新型的SWATH数据分析方法，能够同时进行传统代谢物轮廓分析以及大规模发现和鉴定内源性、修饰性代谢物分析。相应地，我们也开发了数据分析流程，即MetModification，用来自动提取、发现和鉴定SWATH-MS数据集中的修饰性代谢物。实现了能在一次进样的条件下同时分析60种不同修饰类型的代谢物目标。其中包括乙酰化、磷酸化、磺化、葡糖醛酸、半胱氨酸偶联、肉毒碱偶联、棕榈酸偶联、葡萄糖偶联和核糖偶联等等。　　第五部分研究工作，我们利用模式动物果蝇为衰老模型，对五个年龄段（3天、15天、30天、45天和60天）的果蝇头部进行了深入的代谢组轮廓分析，同时进行靶向和非靶向代谢组学分析检测极性小分子代谢物和脂质组学分析检测非极性代谢物。我们在果蝇体内共检测鉴定到了622个小分子代谢物，其中包括107个极性小分子、502个非极性脂质分子和13个脂肪酸分子（总脂肪酸）。分析结果显示，在果蝇正常衰老过程中代谢组发生了显著性的变化，而具有直接关联的糖代谢通路和脂质合成通路受衰老的影响较为明显，因此对糖代谢和脂质合成这一平衡进行干扰实验可能有利于充分地研究衰老和寿命长短的内在机制。进一步地，结合转录组学数据和代谢组学数据，我们详细地阐述解释了果蝇衰老过程中H3K27me3的表观修饰变化引起的下游调控寿命的机理，通过突变PRC2complex降低H3K27me3的修饰水平，能够激活糖酵解代谢通路，进而延长果蝇寿命。