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化学发光免疫分析仪基本结构包括：进样系统、反应系统、信号检测系统、数据处理与输出系统，具体针对不同的免疫分析仪又可以细分为反应器传送系统，测试包被物装载系统，样本装载系统，条码读取系统，试剂装载系统，加样系统，温育系统，清洗、分离系统，发光计数测量系统，计算机控制系统等。
加样系统的机械结构包括加样探针、步进电机、机械臂、注射器、电磁阀门;电路系统包括电机驱动电路、液面探测传感器、探针堵塞传感器、位置传感器以及管路系统等，是整个全自动化学发光中较为复杂的部分。其中主要的进样装置包括以下几部分。
步进电机主要由步进电机运动控制器、步进电机驱动器和步进电机三部分组成，如图2所示。
图2、步进电机结构图
步进电机驱动器主要包括环形分配器和功率放大器两部分。其中环形分配器又称脉冲分配器，它根据运行指令按一定的逻辑关系分配脉冲，通过功率放大器加到步进电机的各相绕组，使步进电机按一定的方式运行，并实现正、反转控制和定位控制。
步进电机运动控制器是控制系统的核心部分，它根据控制要求提供给步进电机驱动控制信号，该控制信号包括脉冲信号、脉冲方向信号、控制模式信号。为了控制的方便，步进电机一般有两种不同的控制模式可供选择。一种是方向/脉冲模式，在这种控制模式下，脉冲信号控制的是步进电机的运动，脉冲方向信号控制的是步进电机的运动方向(即正、反转);另一种是脉冲模式，此时这两路信号分别控制步进电机的正转和反转运动，这样对于某些只需要一个方向运动的应用场合，可以省去一路信号，简化设计。
2、检测器探头
当探针与反应试剂瓶中溶液接触后即发生化学发光，发射出的光在密封箱中被激发，光子被收集。图3是探头的结构。
图3、探头结构示意图
a、固定架;b、导光管;c、引发液入口端;d、可使探头定位于反应试剂瓶上端的轮盖;e、光电倍增管;f、光电倍增管夹持器和流体管道;g、零部件支撑板;h、流体和检测器组件的盖板;i、光电倍增管插孔;j、光电倍增管夹持器;k、引发液输送线
3、注射器
手动注射器进样多出现在管式化学发光仪器中，主要靠注射时的冲力使之混匀，在静态下测定化学发光信号。注射器进样过程中试剂混合是一个快速的浓度变化的瞬时过程，测量精度主要体现在体积的控制，注射的时间和压力分布上。
自动进样注射系统主要应用于全自动或者半自动的化学发光免疫分析仪器上，有两种类型的注射器可以使用，活塞式或风箱式。针筒一般为玻璃材质，通过筒径大小，实现各种不同的满程容量。注射系统的设计要求从试剂容器到注射喷嘴的总的死体积尽可能的小，不同仪器间的死体积差别较大，最小的可小于500μL，多的可至1.5mL。5000μL的注射器泵在探针清洗时动作，可以对探针的管路施以较高的压力以及较大的液体流量，使探针得到彻底清洗，避免了试剂与样本之间、不同样本之间以及不同试剂之间的交叉污染。一个理想的注射器可以在一个较宽的范围内具有高精度的体积设定和可调的压力分布。
4、蠕动泵
采用蠕动泵将样品从试剂瓶中直接泵入反应池，通过流通池的设计使反应液在光电倍增管前瞬时混合，可以实现对闪光型和辉光型的化学反应的测定。
流动注射分析技术的建立，突破了几百年来分析化学反应必须在物理化学平衡条件下完成，使非平衡条件下的化学分析成为可能，从而开发出分析化学的一个全新领域。流动注射作为一种自动化、简便易操作的进样和分离富集技术，其与化学发光技术联用，已成为一种新型有效的自动微量化分析技术，并且同时具有实时、在线分析的特殊功能，在生命科学、医学、环境检测和食品质量监督等多领域有着广阔的应用前景。
在化学发光分析中，样品的混合状况是影响灵敏度的一个关键条件。因此，反应器(包括样品装载系统和反应杯装载系统)的设计就成了所有化学发光仪器的重要因素。商品化的化学发光仪器的反应器主要有管式和微孔板两种。
1、管式反应器
主要用于静态化学发光免疫分析，多采用注射器将底物和引发剂能够以精确的时间加入，这对于一个随时间光信号产生变化的动力学样品来说很有必要。玻璃和透明、半透明的塑料管和比色皿是化学发光测试比较理想的材料。理想的是光能够通过一个平面然后测试，以减少边际效应。
2、微孔板
为了满足免疫分析快速、高通量的要求，样本装载系统一般要求同时装载样本60个以上，加样探针可以随时进入任意一个位置加样。微孔板主要应用于化学发光免疫分析上，有96孔板以及384孔板等几种。由于免疫分析从化学发光反应中发射出的光是各向同性的，即在各个方向上同等发射出来的。如果一个化学反应是在透明的微孔板中的微孔中进行，光不仅从垂直方向发散，还从水平方向发散出来。光很容易地通过各个孔之间的间隙和孔壁，光较强的孔就会干扰相邻的孔。因此，化学发光测试一般用不透明微孔板。不透明的微孔板和板条主要有两种：白色和黑色。白色或黑色板的选择，主要是基于预期检测信号的强弱，白色板主要用于较弱光的检测，黑色板主要用于强光的检测。黑色板还可以削弱非特异性结合所带来的问题。
3、转盘
转盘一般包括样本转盘和试剂转盘两种。样本转盘上可根据需要放置多个可移动的托架，每个托架可放置多个样本管。转盘可旋转360°，并能被条码扫描器识别每个样本管的条码，并根据需要可将任意位置的血清管转到加样位置，并具有“刹车”装置。操作者可在任意时间随意更换样本托架。试剂转盘可同时装载多种试剂。由于试剂对温度的变化较为敏感，试剂转盘需放置在冷却仓内，仓内有内置的冷藏冰箱将试剂保存4~8℃，探针加样时转盘在驱动电机的带动下可移动到任意的位置;外置的条码扫描器(与样本转盘共用)可将条码信息扫描出并存储于计算机内，可方便操作者随时将试剂取出或更换新的试剂。
4、包被珠托盘
设计上类似于试剂转盘。由于包被珠为包被在玻璃珠上的抗体或抗原，对湿度较为敏感，长期在潮湿环境存放下容易变性，故将包被珠转盘放在除湿仓内(24h保持湿度小于20%)。每种包被珠都封装在楔形的塑料盒内，然后环形摆放在包被珠托盘上。安装在包被珠转盘旁的CCD条码扫描器将条码扫描后储存到计算机中。根据需要，在加样前，包被珠会转动到相应的位置，在直流电机的推动下，将包被珠加到反应杯中去。
对辉光型化学发光免疫分析，以往的光信号检测仪器大多采用光电二极管、光敏电池、电荷耦合器或者以光电流放大方式工作的常规光电倍增管作为检测器件。随着现代量子物理学的发展，以及人们对光的微观特性认识的逐步深入，一种被称为单光子计数器的新型高敏感度光检测器被研制开发，其灵敏度及线性范围均大大超过其他常规技术，其基本原理框架图如图4所示。
图4、单光子计数器工作原理框架图(来源：IVD分享库)
其核心部件是光电倍增管，它是一个超高度真空的玻璃容器，其中向光的一面(称为窗口)涂有一层特殊的具有光电效应的稀有金属，称为光阴极;而内部还装有多个以特殊方式排列的电极，称为打拿极或加速极;其后部另有一个电极称为样机。上述各个电极之间均有直流电压。
光电倍增管分为端窗型和侧窗型两种(图5) 。侧窗型的光电倍增管，从玻璃壳的侧面接收入射光，而端窗型光电倍增管是从玻璃壳的顶部接收入射光。
图5、光电倍增管
通常情况下，侧窗型光电倍增管价格较便宜，大部分的侧窗型光电信增管使用了不透明光阴极(反射式光阴极)和环形聚焦型电子倍增极结构，这使其在较低的工作压下具有较高的灵敏度。通常用在分立式化学发光仪器中，在分光光度计和通常的光度测定方面也有广泛的使用;端窗型光电倍增管在其入射窗的内表面上沉积了半透明光阴极(透过式光阴极)，使其具有优于侧窗型的均匀性。端窗型光电倍增管的特点还包括它拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极，可以广角度捕集入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍增管。通常用在流动注射化学发光仪器以及免疫分析仪器中。
单光子计数器的工作示意图如图6所示：当光子打到光阴极时，由于光电效应，其表面可以产生能量微弱的游离电子，称为光电子;该电子由于直流高压的作用离开光阴极再次打到第一打拿极上，由于其获得了直流高压提供的能量，因而在第一打拿极上又制造出了能量更大、数量更多的电子，就这样经过多个打拿极的反复放大，最后使阳极产生了一个能量远远高于最初光子的电脉冲信号。该信号经前置放大器放大，再经过比较器去除噪声信号，最后由分频器换算出光子脉冲数。
图6、单光子计数器的工作原理示意图
放大器的作用是将光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲(连同其他噪声脉冲)线性地放大。放大器的增益可根据单光电子脉冲的高度和甄别器甄别电平的范围来选定。另外还要求放大器具有较宽的线性动态范围，上升时间≤3ns(即通频带宽过100MHz)，噪声系数小等。
几乎所有的化学发光免疫分析仪电信号的检测都采用光子计数法，化学发光反应发出的光由光电倍增管转为模拟信号，然后再经由甄别电路转变成数字信号发送给计算机的分析系统，分析系统根据标准样品中的不同浓度的样品发出不同的光子数进行线性回归计算，得到样品浓度和发光值之间的相关规律，拟合成函数表达式，再把待测样品的发光值带入相关函数中即可得到它的浓度值。信号的收集、传输以及计算机输出过程如图7所示。
图7、化学发光免疫分析仪信号的收集、传输以及计算机输出示意图(来源：IVD分享库)
1、光子计数器
光子计数器主要由放大器、甄别器和计数器构成，各构成部分的功能和工作原理如图8所示。
图8、光子计数器原理图(来源：IVD分享库)
①运算放大器
是一种多端元件。一般放大器的作用是把输入电压放大一定倍数后再输送出去，其输出电压与输入电压的比值称为电压放大倍数或电压增益。运算放大器是一种高增益(可达几万倍甚至更高)、高输入电阻、低输出电阻的放大器。它可以实现放大器、缓冲器、比较器、差分放大器、线路驱动器、积分器、电平转换器、峰值检波器、滤波器、光电二极管放大器等很多电路功能。
化学发光仪器中的测量放大电路需要将光电倍增管阳极输出的微弱信号进行放大，再输送到后续电路处理，这个功能主要是利用运算放大器来实现。运算放大器要求输入电阻高、噪音低、稳定性好、精度及可靠性高、线性度好，并有一定的抗干扰能力。简单原理如图9所示。
图9、简单运算放大器原理图
②脉冲甄别器
有连续可调的阈电平，称甄别电平。只有当输入脉冲的幅度大于甄别电平时，甄别器才输出一个有一定幅度和形状的标准脉冲。在用于光子计数时，将甄别电平调节到单光电子峰的下限处，这时，各倍增极所引起的热噪声脉冲小于甄别电平而不能通过。这样经甄别器后只有光阴极形成的光电子脉冲和热电子脉冲的输出。对甄别器的要求是甄别电平稳定，灵敏度高，死时间小。当有一脉冲触发了甄别器中的线路以后，在它恢复原状以前甄别器不能接受后续脉冲，这段时间称为死时间，用于光子计数的甄别器的死时间要求小于10ns。
③计数器
计数器的作用是将甄别器输出的脉冲累计起来并予以显示。用于光子计数的计数器要满足高计数率的要求，即要能够分辨时间间隔为10ns的二脉冲，相应的计数率为100MHz。不过当光子计数器用于微弱光的测量时，它的计数率一般很低。因此采用计数率低于10MHz的计数器亦可。这部分还必须有控制计数时间的功能。
2、A/D转换器
由于系统的实际对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等)，要使计算机或数字仪表能识别、处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号;而经计算机分析、处理后输出的数字量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。
将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器(简称A/D转换器或ADC，analog to digital converter);将数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器(简称D/A转换器或DAC，digital to analog converter);A/D转换器和D/A转换器已成为信息系统中不可缺少的接口电路。
在化学发光免疫分析仪中，光电倍增管阳极出来的电流经过运算放大器放大后，输入A/D转换器，把模拟信号转化成数字信号从电脑输出。其中还要设计滤波电路降低噪声信号。其简单原理图如图10所示。
图10、模拟采集电路示意图(来源：IVD分享库)
由于抗原抗体反应对温度的稳定性及温度的范围要求较高，反应温度要求控制在37℃±0.2℃。基于精确度和精密度的需要，测量温度的传感器要有良好的线性范围，前端采用桥式电路，然后不经过放大直接连接到A/D转换器上，应该采用高精度的A/D转换器，在温度的采集中一般对温度的采集速率要求较低而对精度要求较高。系统中对温度的控制采用通常传统的PID算法，采用一片MSC1212作为微处理器对温度进行控制。
清洗系统是异相免疫分析系统所必需的。在自动化的化学发光免疫分析仪器中，此系统是集成于仪器内部的，在采用管式样品池的化学发光免疫分析仪中，清洗系统一般是采用洗液针通过步进电机驱动从反应管中吸取废液。
许多半自动的分析仪都配备一个洗板机来完成清洗功能。在全自动的仪器中，通常用吸管吸取。当样本中的抗原(或抗体)以及试剂中的抗原(或抗体)与包被珠上的抗体(或抗原)反应完毕后，未参与反应的物质需要被分离出去，通常采用的方法是用蠕动泵将未反应物直接吸掉，这种方法的缺点是不能将反应物吸干净，大大降低了实验的灵敏度。
目前多采用高速离心的方式(图11)，将包被珠在反应杯中高速离心，离心过程中加水清洗，然后再离心，此过程反复5次。当对包被珠进行清洗时，下端的螺杆将包被珠推动上升到某一位置后，上端的离心电机前端正好顶住反应杯的口部，然后高速离心电机旋转，转速可达8000r/min，多余的液体从而被排除到废液槽内。清洗过程中水泵加入蒸馏水到反应杯，然后再高速离心旋转，将废液彻底排掉。
图11、高速离心示意图
