對於“光”的探索，人類從未停下前進的腳步。
2018年，諾貝爾物理學獎授予了雷射物理學領域的三位科學家。其中，時年96歲的阿瑟·阿什金 (Arthur Ashkin)憑藉“光學鑷子及其在生物系統中的應用”榮膺該獎，成為史上最年長的諾貝爾物理學獎得主。
“光學鑷子”（Optical Tweezers，OT）簡稱光鑷，顧名思義就是用光做成的鑷子。光是它的材質，鑷是它的作用。雖然光鑷的名字裡帶“鑷”，但與傳統鑷子需透過物理接觸夾持物體不同，光鑷是一種非機械接觸式操控技術。其透過高度聚焦的雷射束產生的力，像無形的鑷子一樣，精準操控細胞、病毒、DNA等微小物體。
光鑷的操控原理在於雷射束產生的梯度力和散射力。梯度力如同磁鐵吸引鐵屑，將微小物體拉向光束中光強最強的中心區域；而散射力則像水流推動浮萍，將物體沿著光束傳播方向輕微推移。正是這兩種力的精妙配合，使得光鑷能夠隔空“抓取”並移動目標物件。
光鑷的突破啟發了更多創新。2005年，美國加州伯克利大學吳明教授團隊受光鑷啟發，將光控電場引入微粒操控領域發明了光電鑷技術（OET），並於2011年創立Berkeley Lights公司開始光電鑷技術的產業化，2020年7月在美國納斯達克上市，後被儀器巨頭布魯克（Bruker）公司收購。
“光鑷”和“光電鑷”雖然只有一字之差，卻是截然不同的技術路徑——光鑷依賴光的力學效應實現微奈米級操控，而光電鑷則是光誘導電場的新型操縱體系。前者透過光梯度力與散射力實現微納顆粒操控，後者藉助投影裝置生成動態光虛擬電極，形成非均勻電場驅動微奈米物體。兩種技術形成互補，在生物醫學領域展現出廣闊應用前景。
憑藉“非機械接觸、低損傷、高精度”的顯著優勢，光鑷與光電鑷已成為生命科學、物理化學等領域的重要研究工具。尤其在生物醫學領域、醫療領域，它們正突破傳統技術在精度、損傷性和侵入性等方面的瓶頸，革新著輔助生殖、藥物遞送等多種醫療場景的操作方式。
鑑於光鑷與光電鑷技術路徑不同、應用側重各異，且名稱易於混淆，本文將分上下兩篇，分別對其進行詳細解析。
光鑷和光電鑷，動脈網製圖
01
上篇·光鑷篇
■ 諾獎技術，實現從被動觀察到主動調控的跨越
光鑷技術於1986年由美國科學家阿瑟·阿什金 (Arthur Ashkin)發明後，憑藉其非接觸性的特點，在生物活體細胞研究中展現出其獨特的優勢，即在操作過程中對樣本的破壞性極小。阿什金深刻認識到這一點，並在此領域進行了大量創新性的研究。2018年，阿什金因發明光鑷和利用光鑷實現各種生物醫學應用獲得了諾貝爾物理學獎。[1]
歷經四十年發展，光鑷技術的研究範圍已由最初的微米小球拓展到原子和奈米級別，捕獲物體的形狀和材料也得到了極大的豐富和拓展。其與微流控系統、熒光成像、拉曼光譜、超分辨顯微等其他技術的結合，大大提高了可操控顆粒的數量和效率，豐富了操控功能，進一步提高了實驗通量和應用範圍，現已成為操控細胞與生物大分子、研究其力學性質及生命過程中動力學行為的關鍵工具。
光鑷的核心優勢在於對生物微粒的生命活動非直接接觸、干擾極小——操作體系涉及的細胞生存環境幾乎等同於“天然”環境，因此能完整保留生物微粒的生命活動變化並“即時動態”展現；更重要的是，這一技術賦予研究者“主動操控”的能力，可對其生命活動中的任一環節進行人為調節，實現了從被動觀察到主動調控的重大跨越。
據動脈網觀察，光鑷現階段的主要應用場景集中在生命科學儀器領域、輔助生殖領域及其他醫學與生命科學中極微量細胞的捕獲。長光辰英和捕精者是該賽道的本土企業代表。
生命科研儀器：可與其他技術聯用的單細胞精準顯微操控利器
光鑷成為基礎生命科學研究的關鍵工具，其價值主要體現在三個方面：一是技術原理契合基礎研究場景。光鑷可非直接接觸的方式操控微納尺度的生物粒子，天然適用於單分子、單細胞動力學研究。例如操縱單個DNA分子以研究其拉伸、摺疊力學特性；或操控病毒或細菌以觀察其與宿主細胞的相互作用機制。
二是科研工具化程度高，易於整合。自1986年阿什金髮明單光鑷以來，該技術已發展近40年，衍生出全息光鑷、光熱鑷、光聲鑷、光電鑷等形態。其標準化裝置已成為生物物理和單分子生物學實驗室的常規儀器。並且，光鑷還可與熒光成像、拉曼光譜、超分辨顯微等技術聯用，實現“操控-觀測”一體化，尤其是與人工智慧的結合使用，更讓光鑷的作用大放異彩。
三是滿足高階科研對“非接觸操控”的剛性需求。在奈米生物學、膠體化學等領域，傳統機械接觸會破壞樣品或引入汙染。光鑷的不直接接觸、低損傷特性（尤其近紅外波段）使其成為很多領域不可或缺的工具。
長光辰英成立於2017年，依託中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，服務於生命科學、生物製藥，以及工業檢測的微觀難題。公司於2024年6月獲得由水木創投領投，順為資本、曉池資本跟投的數千萬A輪融資。以其代表產品Scatcher單細胞顯微光鑷操縱與分選系統為例，該產品具備強大的微小物體顯微操控能力，可在顯微鏡下對不同尺寸、形態的細菌、真菌、微藻、動物細胞、微顆粒等進行高效捕獲、自由操縱與視覺化精確分離，單細胞得率及培養成功率高達95%以上，確保了稀有細胞、低丰度目標細胞的有效獲取。並且，Scatcher可與多種觀察與檢測裝置相結合，實現單細胞檢測、操縱與分離的一體化、自動化操作。這不僅提高了實驗效率，還有助於科研人員更好地理解細胞的結構和功能。（相關推薦：《【首發】長光辰英完成數千萬A輪融資，建立國際水平的生命科學光學工具平臺》）
輔助生殖：精子篩選是光鑷的主戰場，尤其在是卵胞漿內單精子注射(ICSI)環節
一個有趣的觀察是，在輔助生殖領域，光鑷主要用於精子操作，比如精子篩選、卵胞漿內單精子注射(ICSI)等。
為什麼更常用於精子而非卵子？主要源於配子生物學特性、技術適配性與臨床痛點的三重原因。
從生物學本質看，精子更適配光鑷的操控尺度。精子長度約50–60 μm，頭部直徑僅3–5 μm，屬於典型的微米級目標，且結構簡單、數量龐大（單次達數千萬級），光鑷的光梯度力足以穩定捕獲。
在技術適配層面，光鑷操控技術可避免機械損傷，還可以對快速遊動的精子進行精準定位與捕獲。此外，透過計算機控制還能實現小於0.1微米的控制精度。
從臨床需求來看，精子操作痛點更突出。精子挑選必須要有活性、無損傷才能實現試管嬰兒，形態不好的精子DNA因碎片率高等因素會對輔助生殖臨床結局產生不良影響，甚至可能導致不良臨床結局。如何在數量眾多、不斷運動的精子中挑選出單條活力且形態較佳的好精子是輔助生殖治療過程中至關重要的環節。目前最常見的方法是胚胎學家透過顯微鏡目測評估精子後人工挑選，主觀性較強，並且在選取精子的過程中，胚胎學家手工操作難免會給精子挑選帶來些許個體差異，質量控制難度大，尤其是針對少弱精患者，優選精子耗時太長且無法溯源。
捕精者成立於2022年，是一家以光學成像、自動化微納操控與人工智慧技術為基礎，集產學研於一體的高階科研儀器與創新型醫療器械研發製造商、科研分析儀器技術平臺服務商。公司於2025年初完成了近3000萬元Pre-A輪融資。完成融資後，捕精者在半年時間內以其核心產品“智慧化活細胞非標記識別與無損捕獲技術平臺”為支撐，陸續開發出一系列產品，實現了從數百萬元級、數十萬元級、數萬元級、數千元級到數百元級別的完整產品矩陣。從高階科研及醫療市場起步，現已成功進入到了萬億級別的消費級市場。
以“人工智慧活體精子優選工作站”為例。其結合光鑷、（超）高分辨成像、人工智慧模型分析技術，實現了對精子的活力、形態與結構的同步測量。將精子按照其運動特徵和形態結構特點分類，從數量眾多、不斷運動中的活精子中優選出視野中活力及形態最佳的單個活精子，並實現優選精子的自動捕獲與轉移，一次優選僅用時不到15秒。具有無標記、智慧化、無損傷的優點，同時還能儲存優選精子的相關資訊，供臨床使用及溯源。該產品已在醫療與畜牧業領域得到應用。（相關推薦：《從優選精子切入，捕精者藉助“光”的力量，實現從破壞性到無侵染獲得活細胞的跨越》）
捕精者研發的“人工智慧活體精子優選工作站”於2025年榮獲國家智慧財產權局頒發的“專利密集型產品認定證書”
捕精者董事長兼CEO方雅亮表示，光鑷擁有不直接接觸、無機械性損傷，可實現微奈米級顆粒的精準捕捉，隨著光學成像及人工智慧技術的不斷升級，光鑷與光學成像、人工智慧技術聯合使用越來越緊密，可以或在某些方面已經實現了針對科研及醫療等諸多場景的極微量單細胞的精準識別與捕獲，極大地提升了工作效率與臨床意義。比如母體血液中胎兒有核紅細胞(FNRBC)、耳蝸毛細胞、牛精子的性控挑選及其他極微量細胞的精準捕獲，該技術平臺一定會像其他廣泛應用的平臺技術一樣，滲透到科研、醫療及生命科學的各個細分領域，形成一個嶄新的賽道，成為一個全新的主流應用技術。
02
下篇：光電鑷篇
光電鑷主要依賴使用光斑照射光電導材料，從而產生非均勻電場，進而產生介電泳力驅動奈米級和微米級目標。其具有能夠並行操控多個微小物體的優勢，以及驅動更大尺度的物體。光電鑷技術的這些特點使得它可以被廣泛地應用於特定微粒的篩查、對微小物體的快速排布、微小物體的分離與運輸等操作，在生物醫療、微納精細加工等領域具有較好的應用前景。
基於光電鑷的研究已廣泛應用於生命科學領域，包含細胞分選、細胞分析、DNA轉染和細胞融合等。如活細胞和死細胞具有不同的極化特性，這導致光電鑷可以對活細胞施加更大的操控力，使得活細胞擁有更大的操控速度，可以有效地分離活細胞和死細胞。
此外，光電鑷還可以對細胞的動力學響應進行分析，如研究不同藥物濃度處理的細胞的自旋轉行為。由於藥物對細胞膜的影響，細胞的電極化特性發生改變，其自轉速度也隨著藥物濃度的增加而下降。光電鑷技術還可以用來構建虛擬電極，實現對細胞的電穿孔和DNA轉染。DNA質粒的成功轉染可被驗證為綠色、紅色和藍色熒光蛋白在轉染細胞中表達，實驗證明透過最佳化光照時間和光斑的幾何形狀可提高細胞的轉染效率。
此外，光電鑷技術可操控多個細胞實現配對，結合光誘導電穿孔效應使得配對的細胞融合成為一個雜交細胞，應用於單克隆抗體生產、細胞重程式設計、癌症免疫治療等。
■ 光電鑷產業化壁壘：know-how門檻高企、研發成本高昂、市場教育剛剛起步
光電鑷技術雖展現出巨大的醫療應用潛力，但其產業化道路才剛剛啟幕，全球範圍內真正掌握核心技術與實現商業落地的企業屈指可數。
回溯其產業化歷程：2005年，美國加州大學伯克利分校吳明教授團隊首創光電鑷技術；2011年，吳教授創立Berkeley Lights公司，致力於該技術的商業化；其核心裝置於2017年前後正式推向市場。Berkeley Lights於2020年7月登陸納斯達克，最終在2023年被科學儀器巨頭布魯克（Bruker）公司收購。此後，海外廠商形成壟斷格局：單臺裝置售價超2000萬元，耗材晶片高達4萬元/片。
相比之下，我國光電鑷商業化近幾年才逐漸起步，目前僅有少數幾家企業涉足產業化。為何國產光電鑷發展相對緩慢？全球為何難覓第二家“Berkeley Lights”？光電鑷的難點又在哪兒？
微納動力創始人馮林教授指出，光電鑷技術源於美國，核心工藝引數多未公開，研發難度極大。“就好像米其林烹飪，看似簡單的原料，卻因精準的配比、火候與時機而難以複製。”以微納動力的大型光電鑷裝置為例，其組裝涉及600多個精密零部件，晶片加工需精準調控300多個引數。這種高度的“know-how”壁壘技術黑箱效應導致全球研究團隊長期陷入“重複造輪子”的困境。
並且，高昂的研發成本，尤其是晶片加工，遠超普通研究團隊和高校的承受能力，進一步制約了國產技術的突破。此外，作為一項發展僅二十年的新興技術，光電鑷在國內產業化剛起步，使用者的認知體系仍在構建階段，市場教育還需多方協同推進。
追光生物聯合創始人謝海南則認為光電鑷技術的難點主要有三方面：
● 一是自動化平臺整合：需突破跨學科技術融合，包括先進製造、光學工程、合成生物學等領域，實現細胞操控-培養-表徵-篩選的全流程自動化，其技術鏈覆蓋機械結構開發、氣液路控制、影像演算法最佳化等十餘項細分工藝；
● 二是光電鑷-微流控晶片研發：透過光電鑷-微流控生物晶片構建底盤細胞工廠。涉及的技術領域包括新型材料開發、生物塗層研究、矽基光電三極體結構的光電鑷晶片設計和微納加工等；
● 三是面向細胞生理狀態監測與功能評估的機器學習演算法研究：涉及的技術領域包括即時評估細胞蛋白表達量和生理狀態的原位監測，即時熒光影像採集和熒光強度分析，基於影像分析與機器學習演算法研究建立目標細胞的甄別方法等。
■ 高通量篩選、抗體開發已成核心應用場景，智慧化、小型化、系統整合引領未來演進
光電鑷技術作為生命科學領域革命性工具，正加速重構生物醫藥研發正規化。
光電鑷技術和微流控技術的結合可以實現對細胞的操控、培養和表徵，實現對底盤細胞的高通量篩選，已成為合成生物學、抗體藥物開發等領域的突破性工具。追光生物聯合創始人謝海南向動脈網指出，該技術體系可廣泛賦能生物醫藥企業、疫苗研發機構、免疫治療實驗室及高校科研平臺，在合成生物學創新、抗體藥物開發、細胞治療產品最佳化等戰略領域形成關鍵支撐。
在抗體藥物研發賽道，光電鑷技術正釋放巨大應用潛能，並已獲得產業驗證。微納動力創始人馮林透露，“全球TOP25抗體藥企已全面採用光電鑷裝置。其優勢在於普適性——從腫瘤（肝癌/肺癌/腦癌等）到傳染病（COVID-19/禽流感/甲流等），凡涉及抗原-抗體反應的疾病研發皆可受益。”該技術透過提升細胞株篩選效率，顯著縮短抗體研發週期，已在新冠中和抗體篩選中實證效能，並延伸至CAR-T等免疫細胞療法。
放眼未來，光電鑷的演進呈現出一些趨勢。首要是智慧化升級，透過融合AI影像識別與自適應光路控制，實現細胞操控路徑的即時最佳化與全自動化執行；其次，新型光敏材料與柔性微納結構的引入，顯著提升OET晶片的生物相容性與場景適應性；最後，模組化整合創新推動系統小型化，當與微流控閥組、生物感測器深度耦合後，OET有望形成“即插即用”的晶片平臺，成為新一代智慧操控與分析核心工具。
“正如顯微鏡從科研利器發展為臨床標配，光電鑷技術未來有望成為生命科學領域的標準化基礎工具。”微納動力創始人馮林總結道。
■ 企業Mapping
彩科生物成立於2018年，是國內領先的生命科學工具與解決方案創新企業，專注於“Biolab on Chips”核心技術研發。公司高管團隊均為海外著名高校深造背景，理學博士學位。其研發的單細胞光導系統專為單細胞分析和篩選設計。該系統整合光電鑷與微流控晶片技術，支援即時觀測動態細胞反應，並實現單細胞功能資料與測序資訊的無縫連線，推動更深入的科學發現。其人性化模組化的設計，為抗體發現，TCR-CAR開發，細胞治療，免疫研究等提供了獨特的研究視角，顯著提升實驗效率與資料價值。
彩科生物單細胞光導系統
微納動力成立於2022年，是一家專注於生命科學與生物醫學裝置研發的高新技術企業。微納動力創始人馮林及核心團隊歷經在東京大學、名古屋大學以及北京航空航天大學近20年技術積累，開創出顛覆式的微納操作與微奈米機器人技術平臺。根據天眼查資料，公司最新一輪融資是在2024年9月完成了由廣州同新科創基金獨家投資的A+輪融資。
以其主要產品Light Operator S1光電鑷微納操控平臺為例，這是一款多功能、高通量、小而靈的先進微納操控工具。它利用光電鑷技術，代替傳統的物理電極，開展各類微奈米粒徑物質研究，實現高通量匯入、操作、分選、匯出，減弱機械力/熱量的傷害。支援定製拓展晶片和溫控、磁控模組；並擁有圖片、資料快速匯出，明場觀測以及三種熒光成像。可二次開發的中文AI輔助作業系統，可整合顯微鏡系統、拉曼光譜系統以及質譜檢測系統。該產品已在首都醫科大學生物醫學工程學院、上海交通大學生物醫學工程學院、上海交通大學等高校得以使用。（相關閱讀：《橫跨光控與磁控，80後北航教授研發國產光電鑷微納作業系統，填補國內空白》）
Light Operator S1光電鑷微納操控平臺
追光生物成立於2023年，由北京理工大學、南方科技大學、暨南大學的教授以及多名海歸博士共同組建，圍繞生命科學基礎價值鏈，研發高階生命科學儀器平臺，專注於解決相關技術領域的“卡脖子”問題。旗下產品包括光電微流控平臺、數字微流控平臺、結構光投影裝置與顯微鏡配件等。公司於2025年6月完成由英諾天使基金領投，南山創投、合鼎共資本、零以創投、上海天使基石跟投的數千萬元天使+輪融資，這充分證明了市場對其技術實力和發展潛力的高度認可。
以其自主研發的OptoBot500光電鑷微流控操控平臺為例，作為一款全自動化的先進系統，不僅能實現對微米級顆粒的精準操控，更支援奈米材料組裝、微機器人控制、細胞分選與操控等多種前沿應用 。目前，該平臺已進入清華大學、中國科學技術大學、北京理工大學、南方科技大學等國內頂尖高校，支撐著國家最前沿的科研創新。[2]（相關閱讀：《【首發】追光生物完成數千萬元天使+輪融資，加速推動高階生命科學儀器的國產化程序》）
OptoBot®500光電鑷系統及其產生的微顆粒圖案
芯珖生物成立於2024年，專注於生命科學與生物醫學裝置的研發。其將光場約束與電場調控融合，開發出黑光光電鑷系統。該系統透過特殊設計的複合場域，在保持光鑷非接觸優勢的同時，引入可程式設計電場陣列。當目標微粒被光場捕獲後，精密電場可對其進行二次定位和姿態調整，實現亞奈米級操控精度。目前該產品已完成樣機設計。（相關閱讀：《國產光電鑷彎道超車！深圳南山殺出一家黑光光電鑷企業》）
芯珖生物CHIPLIGHT 國產光電鑷裝置（樣機）
* 參考資料：
[1]《光鑷 | 世界上最精密抓手》
[2]《北理工Advanced Materials封面論文：光電鑷技術新突破-光碟機動3D微齒輪系統實現跨平面運動傳遞》
[3]《光鑷技術在生命科學研究中的應用》
*封面圖片來源：pexels
如果您認同文章中的觀點、資訊，或想進一步討論，請與我們聯絡；也可加入動脈網行業社群，結交更多志同道合的好友。
