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编者按
日前，京津冀国家技术创新中心学术合伙人、北京航空航天大学冯林教授团队攻克光电薄膜制备核心技术，研发出国产光电镊微纳操作系统，兼顾高通量和精准化能力，可实现对细胞、细菌、微生物等微纳米尺度生物微粒的并行操控，促进了单细胞筛选在生物制药和生命科学研究的应用和发展，创新突破国外技术长期垄断，实现光电镊技术的国产化。
单细胞筛选领域研究市场庞大，随着生命科学的不断发展，市场对于各类生物试剂的需求越来越大，传统细胞分析技术仅能得到大量细胞的平均分析结果，失去了细胞的异质性信息。而每个细胞都是独立的个体，都有其不同特性，因此对单个细胞进行相关研究分析，从而得到单细胞水平的分析数据成为当今生物医学研究的热点。传统的单细胞筛选方法效率较低，严重影响了单细胞制品的开发效率。
我们该如何解决这个问题呢?
对此，北京航空航天大学教授冯林开发了智能化光电镊系统，同时兼顾了高通量和精准化的能力，可实现对细胞、细菌、微生物等微纳米尺度生物微粒的并行操控。
光电镊技术是光镊与介电泳相结合的新型操纵技术，基于介电泳操纵的原理，利用光学电极代替传统的物理电极，借助投影设备在光电导层投射光学图案形成动态光虚拟电极，进一步诱导形成非均匀电场实现对微纳米级物体的操纵，通过可变光学图案灵活地操控大量微小物体，如细胞、病毒及大分子等微粒。光镊虽然为捕获单个粒子提供了很高的分辨率，但存在聚焦要求严格，操作区域有限的缺点;而介电泳技术虽实现了高通量，但缺乏控制单个细胞所必需的灵活性、空间分辨率。考虑光镊技术和介电泳技术的特点，将二者结合，通过特殊设计的光致电薄膜，以光作为电极，产生介电泳效应，完美融合了二者优点。
光电镊技术最早在由美国伯克利大学的学者于2005年提出，由于该研究需要具备光学、半导体、微纳加工、材料学等多学科相关知识，全球从事该领域研究的团队并不多，目前成功将光电镊技术转化的也仅有美国一家上市公司，该公司也是花费近20年的努力才成功将该技术实现产业化。
长期以来，国内对该技术领域的研究几乎处于半空白阶段，从未有人可以做出同样效果。为破解这一“卡脖子”问题，冯林下定决心一定要攻克难题!“做从0到1的研究，注定会与困难同行，但我们一定要坚持到底。”将科技发展主动权牢牢掌握在自己手里。
高通量单细胞筛选技术具体能干什么?
单细胞筛选技术主要应用于抗体药物研发、合成生物学、细胞治疗等领域，其需要将众多单细胞分离、分析、最后将所需单个细胞提取出来，再用于抗体药物、细胞疗法的后续操作中。目前传统技术的单细胞筛选通量较高，但筛选成功率较低，且工作过程自动化程度差，导致效率过低;显微成像、毛细管电泳，由于其单细胞筛选通量过低，只能应用于生育生殖领域，无法大面积推广;而美国这家公司推出的光电微流控及微反应室技术，能显著提升单细胞制品开发效率，但其国内每台约人民币2000万元的高昂售价，让许多机构望而却步。
现有的技术存在以下缺陷：1)单细胞分离后的后续可操作性较差，无法独立回收和长时动态跟踪。2)筛选通量较低，单细胞筛选效率和精度有限;3)芯片结构过于复杂，加工制造成本过高，难以投入大批量使用。在单细胞筛选工作中，上述缺陷使微流控芯片的筛选通量较低且整体工作碎片化，制约了其在生物制药和生命科学研究的应用和发展。
相较之下，光电镊微操控系统具有操控简便、对细胞损伤小等特点，最关键的是能够完美解决单细胞操控和分选问题，结合后续细胞培养，在抗体药物开发、细胞株开发、CAR-T筛选、肿瘤细胞筛选及其他细胞分选等领域均有不可替代的应用前景。这又使冯林坚定了攻克光电镊技术的决心。
可是光电镊技术长期被美国垄断。“既然做了，就要做好”，“国外有的先进技术，我们也要有”，“我们要紧跟技术潮流，实现完全的国产替代”。冯林带领团队全身心扑入其中，经过不懈努力，尝试了各种各样的光电材料，像钙钛矿、硫化铬、酞氢氧肽等，又经历无数种加工工艺的反复尝试，在一次次失败中迎来曙光!
春去秋又来，在科研人员眼中，几年时间既快且慢，冯林团队耗费整整六年时间，终于攻克薄膜制备技术!并对传统薄膜平面型接触结构进行改进，采用薄膜梳齿装的结构设计，增强薄膜接触面积、提升光子吸收率、提高载流子迁移;精准可控的采用硫化铬等材料对氢化非晶硅进行p/n型离子掺杂，提升光电薄膜亮暗比10倍以上;采用磁控溅射镀膜机进行了薄膜加工。
??光电镊样机系统及细菌、生物微粒操控示意图
除核心光电薄膜外，在成像系统方面，团队针对传统光路图像畸变，分辨率低等问题，对光路进行优化，利用缩束器、傅里叶变换透镜构建高分辨率、无畸变的成像系统。此外，团队还进行AI 图像识别和处理算法的研发，结合光学投影设备的光线图案设计，在实验室完成对细胞的自动化光电镊操控。
至此，冯林团队终于打破美国在该领域的长久垄断，实现光电镊技术的国产化!此外，团队接续开发了光电镊技术更多应用，如颗粒的组装与搬运、微生物操作、定制化微颗粒富集、微粒粒径分选、微生物的精准化操控、活死精子分选等。“研究不能止步于此，不能因眼前的成绩过分骄傲，我们要继续努力，对产品做进一步的优化与提升”。
目前团队致力于攻克微流道芯片的加工技术，此项技术涉及到很多繁琐的封装工艺等，因此十数名成员集中力量投身于该项技术的研究，致力于加速项目的产业转化落地。
从2016年冯林加入北航以来，研究课题主要有“高通量光电镊微操作系统”、“磁悬浮胶囊胃镜机器人”以及“场控微纳米机器人靶向给药系统”。高通量光电镊微操作系统筛选单细胞为课题组的重要研究方向;课题组通过长期自主研究和实验探索，掌握了生产光电镊的各项工艺参数，实现光致电薄膜的完全国产化，现已完成10多项国家发明专利;独立开发的光电微流控及微反应室技术，改善了前有技术的缺陷，显著提升单细胞制品开发效率，促进单细胞筛选在生物制药和生命科学研究的应用和发展。
在科研实践中，往往是设想很饱满，实践却是问题层出，“路漫漫其修远兮”，“既然选择了科研道路，就要有一颗坚定的心，即使前路漫漫、道路艰险、荆棘丛生,也要坚持到底”。冯林仍将带领团队成员深入于此!
