生态系统的正常运行离不开细菌的参与,细菌的存在与人类健康息息相关。区别于哺乳动物细胞,原核细菌最重要的特点是具有主要由肽聚糖构成的细胞壁结构。肽聚糖通过D-丙氨酸介导的短肽紧密交联,形成坚韧且富有弹性的网状结构,对于维持细菌形态、固定细胞膜组分具有重要意义,同时为多种细菌膜外生物信号分子（膜蛋白,信号肽等）提供锚定位点,参与细菌之间的信号通讯和侵染致病过程。细胞壁结构的稳定有赖于短肽之间的相互交联,尽管短肽通常具有相对保守的序列,但是越来越多的研究表明肽链末端的D-丙氨酸在特定的生理条件下会被其他种类的D-氨基酸所取代,这种“动态调节”改变糖链长度的同时影响细菌细胞壁肽聚糖的交联程度,最终影响细菌的形状及其对渗透压的耐受能力;此外,D-氨基酸侧链结构的改变,也会使万古霉素与细胞壁的结合力降低,使得细菌特别是细胞壁较厚的革兰氏阳性菌对抗生素产生耐药性,诱导“超级细菌”的产生。研究细菌中D-氨基酸的代谢机制及含量信息不仅有助于阐述细菌细胞壁D-丙氨酸代谢本身的某些关键生物学问题,且对新型抗菌药物的开发具有积极的指导意义。更为重要的是,由于细菌细胞壁中D-氨基酸的“动态调节”是一种在有害菌和有益菌中都普遍存在的生物学现象,研究不同细菌中D-氨基酸的含量变化,构建基于D-氨基酸含量细微差异的细菌分型新指标,将使我们从一个全新的角度来评价细菌之间的差异性并最终实现细菌分型。近年来,荧光成像技术在检查细菌的亚细胞结构方面体现出独特的优势。目前所发展的荧光蛋白、荧光抗生素标记、糖类衍生物代谢以及细菌表面游离氨基检测等方法,为我们提供了丰富的蛋白定位及细胞壁形态等信息,大大促进了细菌微生物学的研究。但是,这些荧光方法在一定程度上存在技术复杂、分辨率低、物种适用性有限等缺点,特别是生物特异性有所欠缺,同时普遍面临着荧光漂白,光谱重叠这两大难题,发展新的生物分析策略,实现细菌的高效、稳定而又准确的光学显微和定量分析具有重要的意义,将进一步丰富细菌研究的计数手段,同时提供更加全面而精确的细菌定性和定量的信息。在本硕士论文工作中,我们构建了基于非典型D-氨基酸代谢的专一性标记策略,基于生物正交反应,建立了针对非典型D-氨基酸的荧光成像和ICPMS精准定量的二维分析方法,实现了细菌的可视化识别和电感耦合等离子体质谱（ICPMS）高灵敏定量分析。本论文主要包括如下四个部分:第一章主要介绍了细菌中D-氨基酸的产生及代谢途径,并综述了近年来基于D-氨基酸的分析检测方式;同时对ICPMS在生物定量中的应用进行了归纳,在此基础上提出了本论文的选题依据及主要研究内容。第二章设计合成两种带有生物正交反应基团的非典型D-氨基酸:叠氮修饰的D-亮氨酸（Azide-D-Leu）和酮羰基修饰的D-甲硫氨酸（Ketone-D-Met）,结合已有的炔基-D-丙氨酸（Alkynyl-D-Ala）,在体外条件下以有铜催化点击反应（CuAAC）、无铜催化点击反应（SPAAC）以及成肟反应（Oxime Formation）为桥梁,与三种合成的对应稀土元素标签连接,验证了元素标记策略的可行性及反应动力学,为实际细菌体系分析提供了理论和实验基础。第三章以Alkynyl-D-Ala、Azide-D-Leu和Ketone-D-Met三种非典型氨基酸为代谢底物,实现了这三种非典型氨基酸在金黄色葡萄球菌细胞壁形成过程中的代谢自组装。利用荧光标记策略和激光共聚焦显微镜技术,验证了代谢标记的专一性,实现细菌的可视化识别;同时通过元素标签结合同位素稀释ICPMS定量分析技术,精准测定了金黄色葡萄球菌表面非典型D-氨基酸的含量信息:单个细菌中能够代谢 Alkynyl-D-Ala（1.09±0.02）× 106/bacterium,Azide-D-Leu（1.88±0.04）× 105/bacterium,Ketone-D-Met（4.86± 0.07）× 104/bacterium。第四章总结了本论文的研究工作,并基于不同细菌细胞壁D-氨基酸动态调节和含量差异对细菌分型的潜在应用进行了展望。