诺奖技术国产化，光镊、光电镊如何重塑抗体开发、辅助生殖等医疗场景？

2018年，诺贝尔物理学奖授予了激光物理学领域的三位科学家。其中，时年96岁的阿瑟·阿什金 (Arthur Ashkin)凭借“光学镊子及其在生物系统中的应用”荣膺该奖，成为史上最年长的诺贝尔物理学奖得主。

“光学镊子”（Optical Tweezers，OT）简称光镊，顾名思义就是用光做成的镊子。光是它的材质，镊是它的作用。虽然光镊的名字里带“镊”，但与传统镊子需通过物理接触夹持物体不同，光镊是一种非机械接触式操控技术。其通过高度聚焦的激光束产生的力，像无形的镊子一样，精准操控细胞、病毒、DNA等微小物体。

光镊的操控原理在于激光束产生的梯度力和散射力。梯度力如同磁铁吸引铁屑，将微小物体拉向光束中光强最强的中心区域；而散射力则像水流推动浮萍，将物体沿着光束传播方向轻微推移。正是这两种力的精妙配合，使得光镊能够隔空“抓取”并移动目标对象。

光镊的突破启发了更多创新。2005年，美国加州伯克利大学吴明教授团队受光镊启发，将光控电场引入微粒操控领域发明了光电镊技术（OET），并于2011年创立Berkeley Lights公司开始光电镊技术的产业化，2020年7月在美国纳斯达克上市，后被仪器巨头布鲁克（Bruker）公司收购。

“光镊”和“光电镊”虽然只有一字之差，却是截然不同的技术路径——光镊依赖光的力学效应实现微纳米级操控，而光电镊则是光诱导电场的新型操纵体系。前者通过光梯度力与散射力实现微纳颗粒操控，后者借助投影设备生成动态光虚拟电极，形成非均匀电场驱动微纳米物体。两种技术形成互补，在生物医学领域展现出广阔应用前景。

凭借“非机械接触、低损伤、高精度”的显著优势，光镊与光电镊已成为生命科学、物理化学等领域的重要研究工具。尤其在生物医学领域、医疗领域，它们正突破传统技术在精度、损伤性和侵入性等方面的瓶颈，革新着辅助生殖、药物递送等多种医疗场景的操作方式。

鉴于光镊与光电镊技术路径不同、应用侧重各异，且名称易于混淆，本文将分上下两篇，分别对其进行详细解析。

光镊和光电镊，动脉网制图

01 上篇·光镊篇

诺奖技术，实现从被动观察到主动调控的跨越

光镊技术于1986年由美国科学家阿瑟·阿什金 (Arthur Ashkin)发明后，凭借其非接触性的特点，在生物活体细胞研究中展现出其独特的优势，即在操作过程中对样本的破坏性极小。阿什金深刻认识到这一点，并在此领域进行了大量创新性的研究。2018年，阿什金因发明光镊和利用光镊实现各种生物医学应用获得了诺贝尔物理学奖。[1]

历经四十年发展，光镊技术的研究范围已由最初的微米小球拓展到原子和纳米级别，捕获物体的形状和材料也得到了极大的丰富和拓展。其与微流控系统、荧光成像、拉曼光谱、超分辨显微等其他技术的结合，大大提高了可操控颗粒的数量和效率，丰富了操控功能，进一步提高了实验通量和应用范围，现已成为操控细胞与生物大分子、研究其力学性质及生命过程中动力学行为的关键工具。

光镊的核心优势在于对生物微粒的生命活动非直接接触、干扰极小——操作体系涉及的细胞生存环境几乎等同于“天然”环境，因此能完整保留生物微粒的生命活动变化并“实时动态”展现；更重要的是，这一技术赋予研究者“主动操控”的能力，可对其生命活动中的任一环节进行人为调节，实现了从被动观察到主动调控的重大跨越。

据动脉网观察，光镊现阶段的主要应用场景集中在生命科学仪器领域、辅助生殖领域及其他医学与生命科学中极微量细胞的捕获。长光辰英和捕精者是该赛道的本土企业代表。

生命科研仪器：可与其他技术联用的单细胞精准显微操控利器

光镊成为基础生命科学研究的关键工具，其价值主要体现在三个方面：一是技术原理契合基础研究场景。光镊可非直接接触的方式操控微纳尺度的生物粒子，天然适用于单分子、单细胞动力学研究。例如操纵单个DNA分子以研究其拉伸、折叠力学特性；或操控病毒或细菌以观察其与宿主细胞的相互作用机制。

二是科研工具化程度高，易于集成。自1986年阿什金发明单光镊以来，该技术已发展近40年，衍生出全息光镊、光热镊、光声镊、光电镊等形态。其标准化设备已成为生物物理和单分子生物学实验室的常规仪器。并且，光镊还可与荧光成像、拉曼光谱、超分辨显微等技术联用，实现“操控-观测”一体化，尤其是与人工智能的结合使用，更让光镊的作用大放异彩。

三是满足高端科研对“非接触操控”的刚性需求。在纳米生物学、胶体化学等领域，传统机械接触会破坏样品或引入污染。光镊的不直接接触、低损伤特性（尤其近红外波段）使其成为很多领域不可或缺的工具。

长光辰英成立于2017年，依托中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，服务于生命科学、生物制药，以及工业检测的微观难题。公司于2024年6月获得由水木创投领投，顺为资本、晓池资本跟投的数千万A轮融资。以其代表产品Scatcher单细胞显微光镊操纵与分选系统为例，该产品具备强大的微小物体显微操控能力，可在显微镜下对不同尺寸、形态的细菌、真菌、微藻、动物细胞、微颗粒等进行高效捕获、自由操纵与可视化精确分离，单细胞得率及培养成功率高达95%以上，确保了稀有细胞、低丰度目标细胞的有效获取。并且，Scatcher可与多种观察与检测设备相结合，实现单细胞检测、操纵与分离的一体化、自动化操作。这不仅提高了实验效率，还有助于科研人员更好地理解细胞的结构和功能。（相关推荐：《【首发】长光辰英完成数千万A轮融资，建立国际水平的生命科学光学工具平台》）

辅助生殖：精子筛选是光镊的主战场，尤其在是卵胞浆内单精子注射(ICSI)环节

一个有趣的观察是，在辅助生殖领域，光镊主要用于精子操作，比如精子筛选、卵胞浆内单精子注射(ICSI)等。

为什么更常用于精子而非卵子？主要源于配子生物学特性、技术适配性与临床痛点的三重原因。

从生物学本质看，精子更适配光镊的操控尺度。精子长度约50–60 μm，头部直径仅3–5 μm，属于典型的微米级目标，且结构简单、数量庞大（单次达数千万级），光镊的光梯度力足以稳定捕获。

在技术适配层面，光镊操控技术可避免机械损伤，还可以对快速游动的精子进行精准定位与捕获。此外，通过计算机控制还能实现小于0.1微米的控制精度。

从临床需求来看，精子操作痛点更突出。精子挑选必须要有活性、无损伤才能实现试管婴儿，形态不好的精子DNA因碎片率高等因素会对辅助生殖临床结局产生不良影响，甚至可能导致不良临床结局。如何在数量众多、不断运动的精子中挑选出单条活力且形态较佳的好精子是辅助生殖治疗过程中至关重要的环节。目前最常见的方法是胚胎学家通过显微镜目测评估精子后人工挑选，主观性较强，并且在选取精子的过程中，胚胎学家手工操作难免会给精子挑选带来些许个体差异，质量控制难度大，尤其是针对少弱精患者，优选精子耗时太长且无法溯源。

捕精者成立于2022年，是一家以光学成像、自动化微纳操控与人工智能技术为基础，集产学研于一体的高端科研仪器与创新型医疗器械研发制造商、科研分析仪器技术平台服务商。公司于2025年初完成了近3000万元Pre-A轮融资。完成融资后，捕精者在半年时间内以其核心产品“智能化活细胞非标记识别与无损捕获技术平台”为支撑，陆续开发出一系列产品，实现了从数百万元级、数十万元级、数万元级、数千元级到数百元级别的完整产品矩阵。从高端科研及医疗市场起步，现已成功进入到了万亿级别的消费级市场。

以“人工智能活体精子优选工作站”为例。其结合光镊、（超）高分辨成像、人工智能模型分析技术，实现了对精子的活力、形态与结构的同步测量。将精子按照其运动特征和形态结构特点分类，从数量众多、不断运动中的活精子中优选出视野中活力及形态最佳的单个活精子，并实现优选精子的自动捕获与转移，一次优选仅用时不到15秒。具有无标记、智能化、无损伤的优点，同时还能保存优选精子的相关信息，供临床使用及溯源。该产品已在医疗与畜牧业领域得到应用。（相关推荐：《从优选精子切入，捕精者借助“光”的力量，实现从破坏性到无侵染获得活细胞的跨越》）

捕精者研发的“人工智能活体精子优选工作站”于2025年荣获国家知识产权局颁发的“专利密集型产品认定证书”

捕精者董事长兼CEO方雅亮表示，光镊拥有不直接接触、无机械性损伤，可实现微纳米级颗粒的精准捕捉，随着光学成像及人工智能技术的不断升级，光镊与光学成像、人工智能技术联合使用越来越紧密，可以或在某些方面已经实现了针对科研及医疗等诸多场景的极微量单细胞的精准识别与捕获，极大地提升了工作效率与临床意义。比如母体血液中胎儿有核红细胞(FNRBC)、耳蜗毛细胞、牛精子的性控挑选及其他极微量细胞的精准捕获，该技术平台一定会像其他广泛应用的平台技术一样，渗透到科研、医疗及生命科学的各个细分领域，形成一个崭新的赛道，成为一个全新的主流应用技术。

02 下篇：光电镊篇

光电镊主要依赖使用光斑照射光电导材料，从而产生非均匀电场，进而产生介电泳力驱动纳米级和微米级目标。其具有能够并行操控多个微小物体的优势，以及驱动更大尺度的物体。光电镊技术的这些特点使得它可以被广泛地应用于特定微粒的筛查、对微小物体的快速排布、微小物体的分离与运输等操作，在生物医疗、微纳精细加工等领域具有较好的应用前景。

基于光电镊的研究已广泛应用于生命科学领域，包含细胞分选、细胞分析、DNA转染和细胞融合等。如活细胞和死细胞具有不同的极化特性，这导致光电镊可以对活细胞施加更大的操控力，使得活细胞拥有更大的操控速度，可以有效地分离活细胞和死细胞。

此外，光电镊还可以对细胞的动力学响应进行分析，如研究不同药物浓度处理的细胞的自旋转行为。由于药物对细胞膜的影响，细胞的电极化特性发生改变，其自转速度也随着药物浓度的增加而下降。光电镊技术还可以用来构建虚拟电极，实现对细胞的电穿孔和DNA转染。DNA质粒的成功转染可被验证为绿色、红色和蓝色荧光蛋白在转染细胞中表达，实验证明通过优化光照时间和光斑的几何形状可提高细胞的转染效率。

此外，光电镊技术可操控多个细胞实现配对，结合光诱导电穿孔效应使得配对的细胞融合成为一个杂交细胞，应用于单克隆抗体生产、细胞重编程、癌症免疫治疗等。

光电镊产业化壁垒：know-how门槛高企、研发成本高昂、市场教育刚刚起步

光电镊技术虽展现出巨大的医疗应用潜力，但其产业化道路才刚刚启幕，全球范围内真正掌握核心技术与实现商业落地的企业屈指可数。

回溯其产业化历程：2005年，美国加州大学伯克利分校吴明教授团队首创光电镊技术；2011年，吴教授创立Berkeley Lights公司，致力于该技术的商业化；其核心设备于2017年前后正式推向市场。Berkeley Lights于2020年7月登陆纳斯达克，最终在2023年被科学仪器巨头布鲁克（Bruker）公司收购。此后，海外厂商形成垄断格局：单台设备售价超2000万元，耗材芯片高达4万元/片。

相比之下，我国光电镊商业化近几年才逐渐起步，目前仅有少数几家企业涉足产业化。为何国产光电镊发展相对缓慢？全球为何难觅第二家“Berkeley Lights”？光电镊的难点又在哪儿？

微纳动力创始人冯林教授指出，光电镊技术源于美国，核心工艺参数多未公开，研发难度极大。“就好像米其林烹饪，看似简单的原料，却因精准的配比、火候与时机而难以复制。”以微纳动力的大型光电镊设备为例，其组装涉及600多个精密零部件，芯片加工需精准调控300多个参数。这种高度的“know-how”壁垒技术黑箱效应导致全球研究团队长期陷入“重复造轮子”的困境。

并且，高昂的研发成本，尤其是芯片加工，远超普通研究团队和高校的承受能力，进一步制约了国产技术的突破。此外，作为一项发展仅二十年的新兴技术，光电镊在国内产业化刚起步，用户的认知体系仍在构建阶段，市场教育还需多方协同推进。

追光生物联合创始人谢海南则认为光电镊技术的难点主要有三方面：

● 一是自动化平台集成：需突破跨学科技术融合，包括先进制造、光学工程、合成生物学等领域，实现细胞操控-培养-表征-筛选的全流程自动化，其技术链覆盖机械结构开发、气液路控制、图像算法优化等十余项细分工艺；

● 二是光电镊-微流控芯片研发：通过光电镊-微流控生物芯片构建底盘细胞工厂。涉及的技术领域包括新型材料开发、生物涂层研究、硅基光电三极管结构的光电镊芯片设计和微纳加工等；

● 三是面向细胞生理状态监测与功能评估的机器学习算法研究：涉及的技术领域包括实时评估细胞蛋白表达量和生理状态的原位监测，实时荧光图像采集和荧光强度分析，基于图像分析与机器学习算法研究建立目标细胞的甄别方法等。

高通量筛选、抗体开发已成核心应用场景，智能化、小型化、系统集成引领未来演进

光电镊技术作为生命科学领域革命性工具，正加速重构生物医药研发范式。

光电镊技术和微流控技术的结合可以实现对细胞的操控、培养和表征，实现对底盘细胞的高通量筛选，已成为合成生物学、抗体药物开发等领域的突破性工具。追光生物联合创始人谢海南向动脉网指出，该技术体系可广泛赋能生物医药企业、疫苗研发机构、免疫治疗实验室及高校科研平台，在合成生物学创新、抗体药物开发、细胞治疗产品优化等战略领域形成关键支撑。

在抗体药物研发赛道，光电镊技术正释放巨大应用潜能，并已获得产业验证。微纳动力创始人冯林透露，“全球TOP25抗体药企已全面采用光电镊设备。其优势在于普适性——从肿瘤（肝癌/肺癌/脑癌等）到传染病（COVID-19/禽流感/甲流等），凡涉及抗原-抗体反应的疾病研发皆可受益。”该技术通过提升细胞株筛选效率，显著缩短抗体研发周期，已在新冠中和抗体筛选中实证效能，并延伸至CAR-T等免疫细胞疗法。

放眼未来，光电镊的演进呈现出一些趋势。首要是智能化升级，通过融合AI图像识别与自适应光路控制，实现细胞操控路径的实时优化与全自动化运行；其次，新型光敏材料与柔性微纳结构的引入，显著提升OET芯片的生物兼容性与场景适应性；最后，模块化集成创新推动系统小型化，当与微流控阀组、生物传感器深度耦合后，OET有望形成“即插即用”的芯片平台，成为新一代智能操控与分析核心工具。

“正如显微镜从科研利器发展为临床标配，光电镊技术未来有望成为生命科学领域的标准化基础工具。”微纳动力创始人冯林总结道。

企业Mapping

彩科生物成立于2018年，是国内领先的生命科学工具与解决方案创新企业，专注于“Biolab on Chips”核心技术研发。公司高管团队均为海外著名高校深造背景，理学博士学位。其研发的单细胞光导系统专为单细胞分析和筛选设计。该系统整合光电镊与微流控芯片技术，支持实时观测动态细胞反应，并实现单细胞功能数据与测序信息的无缝连接，推动更深入的科学发现。其人性化模块化的设计，为抗体发现，TCR-CAR开发，细胞治疗，免疫研究等提供了独特的研究视角，显著提升实验效率与数据价值。

彩科生物单细胞光导系统

微纳动力成立于2022年，是一家专注于生命科学与生物医学设备研发的高新技术企业。微纳动力创始人冯林及核心团队历经在东京大学、名古屋大学以及北京航空航天大学近20年技术积累，开创出颠覆式的微纳操作与微纳米机器人技术平台。根据天眼查数据，公司最新一轮融资是在2024年9月完成了由广州同新科创基金独家投资的A+轮融资。

以其主要产品Light Operator S1光电镊微纳操控平台为例，这是一款多功能、高通量、小而灵的先进微纳操控工具。它利用光电镊技术，代替传统的物理电极，开展各类微纳米粒径物质研究，实现高通量导入、操作、分选、导出，减弱机械力/热量的伤害。支持定制拓展芯片和温控、磁控模块；并拥有图片、数据快速导出，明场观测以及三种荧光成像。可二次开发的中文AI辅助操作系统，可整合显微镜系统、拉曼光谱系统以及质谱检测系统。该产品已在首都医科大学生物医学工程学院、上海交通大学生物医学工程学院、上海交通大学等高校得以使用。（相关阅读：《横跨光控与磁控，80后北航教授研发国产光电镊微纳操作系统，填补国内空白》）

Light Operator S1光电镊微纳操控平台

追光生物成立于2023年，由北京理工大学、南方科技大学、暨南大学的教授以及多名海归博士共同组建，围绕生命科学基础价值链，研发高端生命科学仪器平台，专注于解决相关技术领域的“卡脖子”问题。旗下产品包括光电微流控平台、数字微流控平台、结构光投影设备与显微镜配件等。公司于2025年6月完成由英诺天使基金领投，南山创投、合鼎共资本、零以创投、上海天使基石跟投的数千万元天使+轮融资，这充分证明了市场对其技术实力和发展潜力的高度认可。

以其自主研发的OptoBot500光电镊微流控操控平台为例，作为一款全自动化的先进系统，不仅能实现对微米级颗粒的精准操控，更支持纳米材料组装、微机器人控制、细胞分选与操控等多种前沿应用 。目前，该平台已进入清华大学、中国科学技术大学、北京理工大学、南方科技大学等国内顶尖高校，支撑着国家最前沿的科研创新。[2]（相关阅读：《【首发】追光生物完成数千万元天使+轮融资，加速推动高端生命科学仪器的国产化进程》）

OptoBot®500光电镊系统及其产生的微颗粒图案

芯珖生物成立于2024年，专注于生命科学与生物医学设备的研发。其将光场约束与电场调控融合，开发出黑光光电镊系统。该系统通过特殊设计的复合场域，在保持光镊非接触优势的同时，引入可编程电场阵列。当目标微粒被光场捕获后，精密电场可对其进行二次定位和姿态调整，实现亚纳米级操控精度。目前该产品已完成样机设计。（相关阅读：《国产光电镊弯道超车！深圳南山杀出一家黑光光电镊企业》）

芯珖生物CHIPLIGHT 国产光电镊设备（样机）

* 参考资料：

[1]《光镊 | 世界上最精密抓手》

[2]《北理工Advanced Materials封面论文：光电镊技术新突破-光驱动3D微齿轮系统实现跨平面运动传递》

[3]《光镊技术在生命科学研究中的应用》

本文来自微信公众号 “动脉网”（ID：vcbeat），作者：李汶芸，36氪经授权发布。