代谢组学整体描述内源性代谢物的动态变化，通过对内源性小分子代谢物进行定性定量分析，反映机体外源性和内源性变化和整体功能状态。代谢组学可分为4个层次：代谢轮廓分析、代谢指纹分析、代谢物靶标分析和代谢组学分析，研究对象主要为生物体内的如体液、 器官组织和细胞等。采集样品，对样本进行简单预处理，提取并检测样品上清液，收集、分析数据，检测代谢物及分析代谢通路，动态描述生物系统表型。研究者可根据被测代谢物的理化性质结合不同分析技术的优势，选择合适目标代谢物的技术平台进行检测。
近年来一系 列分析平台的快速发展，包括核磁共振(NMR)、气相色谱-质谱联用(GC - MS)、液相色谱-质谱联用(LC - MS)和毛细管电泳质谱(CE-MS)等，可以实现对代谢产物及其相关代谢途径的分离、检测、表征和定量。由于代谢组学得到的原始图谱复杂、数据量大，对数据信息进行充分解读是代谢组学的关键问题，因此需要对数据进行降维和信息挖掘。与基因组学和其他组学不同，代谢组学与疾病表型直接相关，其能够鉴定代谢表型以及代谢紊乱和疾病之间的相关性。
自从Nicholson等在1999年首次提出代谢组学概念以来，代谢组检测技术得到了快速发展。GC-MS比较适合分析热稳定、易挥发或经衍生化后易挥发成分，不受复杂生物样本中基质效应的干扰。并且在定性方面，具有大量可检索的质谱库等优势。GC-MS利用电子轰击离子化(EI)技术采集的质谱图，可以很好地与检索的谱库匹配，实现准确定性。GC-MS方法可以同时测定几百个代谢物，分子量通常在600道尔顿以内，包括有机酸、氨基酸、糖、糖醇、芳胺和脂肪酸等。然而，GC-MS不适合检测极性大不易挥发或热不稳定的代谢物。同时，在离子化过程中，电子轰击施加的能量会使结构不稳定成分易于碎裂而难于检测到化合物的分子离子峰。LC-MS比较适合不稳定、难挥发的成分。
在一次检测分析中，可以检测生物样本中几千到几万个化合物，因此其应用于非靶向代谢物分析的覆盖度远高于GC-MS，在代谢组学研究中更为常用常见的适合与LC联用的质谱仪离子源，主要有电喷雾电离(ESI)和大气压化学电离(APCI)。其中 ESI 是最软的电离技术，可以通过优化仪器参数主要产生分子离子峰，是代谢组学研究中最常用的离子化技术，适用范围广，适合难挥发、热不稳定、中到高极性化合物的检测，比如溶血磷脂胆碱、溶血磷脂酰乙醇胺、脂酰基肉碱等。ESI 技术的不足之处在于易受生物样本中基质效应的影响，且对弱极性和非极性化合物的离子化能力较弱。与ESI相比，大气压化学电离(APCI)更适合分析低极性和中性化合物，受基质效应干扰较小。但是，APCI技术不适合受热易分解成分的检测。此外，大气压光致电离(APPI)适合分析弱极性或非极性化合物，有较宽的线性动态范围和很高的灵敏度，且基质效应更小。
然而，质谱分析方法中，无论靶向还是非靶向检测，仍面临诸多挑战。首先，样品前处理环节，生物样本中代谢物化学性质各异、成分复杂，无法用一种方法提取出全部代谢物。如脂溶性成分需要用氯仿等亲脂性有机溶剂提取;水溶性成分用乙腈、甲醇等亲水性有机溶剂提取;酸、碱性成分、易氧化代谢物更需要特定的提取条件;对于极微量成分(激素等)需要衍生化处理以增加仪器检测灵敏度。化学性质、结构不同的代谢物，其离子化效率会有较大差别，弱极性化合物很难被ESI技术检测，导致最终仅能获得易于离子化的代谢物信息。此外，靶向检测的灵敏度虽然很高，多用于绝对定量分析，但是覆盖的代谢物有限，无法全面真实反映病理条件下细胞的整体代谢水平。非靶向检测(全扫描采集数据模式)可以覆盖所有信号，侧重于含量高或易于电离的成分，一般用于定性、半定量分析。
因此，要想全面获得生物样本中尽可能多的整体代谢组信息，需要不同前处理方法、多种色谱分析条件(正相、反相)、不同离子化方式(ESI、APCI)的高分辨质谱非靶向扫描等多个分析策略相组合，同时还要结合高灵敏度的靶向检测方法。然而，很多生物样本比较珍贵， 研究资源、仪器和经费等条件有限，运用已知的全部分析手段来开展代谢组学研究是不现实的。所以，对于没有明确目标代谢通路的代谢组学研究，首选基于LC-(ESI)HRMS技术的非靶向代谢组检测，采用反相色谱条件，正、负两种电离模式，以获取各条代谢通路中高丰度或易于离子化的代表性成分含量。
当从非靶向数据中挖掘出感兴趣的代谢物时，根据需要，可以进一步采用更加专属的前处理和LC-MS靶向分析方法，采集候选代谢物所对应的代谢通路及其上下游中所有成分的精准定量数据，来揭示发生变化的代谢机制。随着前处理方法的不断开发、色谱仪器分析更加快速、质谱仪器扫描速度和灵敏度持续增加，在一次非靶向分析生物样品中，代谢组检测的覆盖度和通量将得到不断提升。
