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代谢组学的研究对象主要是分子量1000以下的小分子化合物，一般可分为四个层次：
1、代谢物靶标分析(metabolite target analysis)
分析一种或几种特定的代谢物，主要目的是通过检测某个基因受干扰后对目标代谢产物浓度所产生的效应。为了提高目标物的灵敏度，在分析方法上要采取预处理技术。
2、代谢谱分析(metabolic profiling analysis)
定量分析某一个或几个代谢途径中的一个类型的代谢物。包括结构、性质相关的化合物或一个代谢途径中的所有中间产物或多个代谢途径的标志性组分。由于一类化合物有其特有的化学性质，在分析方法上可以采用针对性的样品预处理方法。
3、代谢组学(metabonomics/metabolomics)
定性和定量分析特定条件下的特定生物样品中所有代谢物组分。在分析方法上，样品预处理和检测要满足对所有代谢物组分的检测，因此要保证高灵敏度、高选择性、高通量的要求。庞大的数据结果需要利用化学计量学技术进行数据的解析。
4、代谢指纹分析(metabolic fingerprinting analysis)
高通量定性分析所有的代谢物，以此描述某种生理状态的各种代谢类型的变化。该方法一般不进行定量分析。