从结构上看，实验室管理系统（LIMS）包括三个主要的层：
1）应用层：亦称为技术层，用于LIMS系统与操作系统、网络及其它软件工具之间的交互；
2）交互层：亦称为商业规则层，决定LIMS系统对不同情形的响应，例如需要在出报告之前进行最终产品的校核和批准等；
3）数据层：用于信息的保存，例如样品测定结果。
LIMS系统同其它领域的管理信息系统一样，伴随着计算机硬件、软件和网络等技术的发展而不断推陈出新、升级换代。从20世纪60年代末期开始，历经起源、发展、商品化三个阶段，LIMS系统的结构也经历了以下三个主要的发展阶段：
一、集中式结构
集中式结构是20世纪60年代末至20世纪80年代中的主流。这种结构的特点是：采用IBM大型机和DEC超小型机为中央主机，星形网络拓扑结构，通过RS232连接多台终端或通过DEC小型机采集仪器数据，应用层、业务层和数据层都互不独立，集中在一个软件系统中，均在中央机上运行。
这一时期LIMS系统的主要功能有：仪器控制、数据采集和处理、结果的打印输出。这种早期系统主要由大公司实验室和高校科研机构研究室开发，其系统投资大，开发难度大，要求有很高的维护技巧。
二、两层结构：应用层/数据层
两层结构是20世纪80年代中至20世纪90年代的主流。由于个人计算机（PC）和局域网（LAN）技术的日益普及，基于客户机/服务器（Client/Server,缩写为C/S）分布式架构体系的LIMS应运而生。采用这一结构的前期商品以多用户、多任务小型机为主，至少有16种以上的商品化LIMS问世并在西方国家普遍使用。自1993年以来，基于C/S架构PC机的LIMS产品已经占到了40%的市场份额，至1998年更是达到80%以上。
这一时期LIMS增加了系统管理、工作计划安排、数理统计分析、图形软件、状态跟踪、仪器管理等方面的功能，并能够与ERP(企业资源计划)软件、MRP(制造资源计划)软件集成在一起。有些公司还研制了专门的仪器接口用于连接各种各样的仪器设备，这些都促使LIMS系统向企业整体信息化解决方案发展。
三、三层结构：应用层/业务层/数据层
20世纪90年代末以来，随着全球经济化和市场竞争的日趋激烈，商业规则常常需要发生更改，因此用户需要对程序代码进行修改并重新编译以符合新的商业要求，但是由于业务层（商业规则层）反映了实验室及所在企业/机构的实际操作流程和管理需要，在LIMS系统实施过程中往往也是代价较为昂贵的部分，需要消耗大量的人力和物力。与之并行的一个问题是LIMS系统厂商需要对其代码进行修改以体现最新的IT技术。
在这种情况下，出现了采用应用层/业务层/数据层完全独立的三层逻辑结构的LIMS系统，在这种三层结构的LIMS系统中，数据层每个层面的维护都是独立分离的。最新的技术特性也被编入程序中，以确保系统能够及时地向用户展示最新的技术知识，用户可以通过加密的网站取得这些程序。同时，经过授权的合法用户也能够开发或者维护商业规则层（业务层）以及数据层，根据商业环境的改变随时修改商业规则层面，以确保它最大限度地满足商业需要，而不必担心由于供应商对软件的更新和升级使所做的修改白白浪费。
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