The development of a rapid, simple, inexpensive, and sensitive nucleic acid assay is critical in ultrafast diagnostic systems to prevent the rapid spread of novel infectious agents. However, current representative diagnostic methods, such as the polymerase chain reaction (PCR), are bulky, expensive, complex, and time-consuming. The plasmonic photothermal effect of plasmonic materials is widely used in biological applications because of excellent properties, such as strong optical properties and enhanced local electromagnetic field. PCR methods using plasmonic nanostructures are used to overcome the limitations of conventional PCR. Therefore, plasmonic photothermal-based PCR exhibit a rapid ramping rate, ultrafast amplification, high sensitivity, cost-effectiveness, and compactness, which can be used as a point-of-care device in situ. This study reviewed the mechanisms of plasmonic PCR and various materials, such as organic, inorganic, and hybrid materials, used in PCR. Furthermore, the properties, light source, amplification efficiency, and monitoring method of classified plasmonic materials were compared. This review introduced the disease diagnosis application using plasmonic PCR and evaluated the prospect of potential future applications as next-generation PCR.

1.
S.
Han
,
S. W.
Hyun
,
J. W.
Son
,
M. S.
Song
,
D. J.
Lim
,
C.
Choi
,
S. H.
Park
, and
S. D.
Ha
,
Compr. Rev. Food Sci. Food Saf.
22
,
4890
4924
(
2023
).
2.
D. J.
Weber
,
W. A.
Rutala
, and
E.
Sickbert-Bennett
,
Am. J. Infect. Control
51
(
11
),
A22
A34
(
2023
).
3.
M. R.
Green
and
J.
Sambrook
,
Cold Spring Harbor Protocols
2019
,
pdb.top095109
.
4.
R. K.
Saiki
,
S.
Scharf
,
F.
Faloona
,
K. B.
Mullis
,
G. T.
Horn
,
H. A.
Erlich
, and
N.
Arnheim
,
Science
230
(
4732
),
1350
1354
(
1985
).
5.
K. B.
Mullis
and
F. A.
Faloona
,
Methods Enzymol.
155
,
335
350
(
1987
).
6.
J. H.
Son
,
B.
Cho
,
S.
Hong
,
S. H.
Lee
,
O.
Hoxha
,
A. J.
Haack
, and
L. P.
Lee
,
Light: Sci. Appl.
4
(
7
),
e280
(
2015
).
7.
H.
Zhu
,
H.
Zhang
,
Y.
Xu
,
S.
Laššáková
,
M.
Korabečná
, and
P.
Neužil
,
Biotechniques
69
(
4
),
317
325
(
2020
).
8.
M.
Arya
,
I. S.
Shergill
,
M.
Williamson
,
L.
Gommersall
,
N.
Arya
, and
H. R.
Patel
,
Expert Rev. Mol. Diagn.
5
(
2
),
209
219
(
2005
).
9.
E. M.
Elnifro
,
A. M.
Ashshi
,
R. J.
Cooper
, and
P. E.
Klapper
,
Clin. Microbiol. Rev.
13
(
4
),
559
570
(
2000
).
10.
M.
You
,
L.
Cao
, and
F.
Xu
,
Trends Biochem. Sci.
45
(
2
),
174
175
(
2020
).
11.
R.
Higuchi
,
C.
Fockler
,
G.
Dollinger
, and
R.
Watson
,
Bio/Technology
11
(
9
),
1026
1030
(
1993
).
12.
K.
Mullis
,
F.
Faloona
,
S.
Scharf
,
R.
Saiki
,
G.
Horn
, and
H.
Erlich
, paper
presented at the Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology
,
1986
.
13.
B.
Vogelstein
and
K. W.
Kinzler
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
96
(
16
),
9236
9241
(
1999
).
14.
A.
Tiwari
,
W.
Ahmed
,
S.
Oikarinen
,
S. P.
Sherchan
,
A.
Heikinheimo
,
G.
Jiang
,
S. L.
Simpson
,
J.
Greaves
, and
A.
Bivins
,
Sci. Total Environ.
837
,
155663
(
2022
).
15.
C.-M.
Chang
,
W.-H.
Chang
,
C.-H.
Wang
,
J.-H.
Wang
,
J. D.
Mai
, and
G.-B.
Lee
,
Lab Chip
13
(
7
),
1225
1242
(
2013
).
16.
P.
Liu
,
X.
Li
,
S. A.
Greenspoon
,
J. R.
Scherer
, and
R. A.
Mathies
,
Lab Chip
11
(
6
),
1041
1048
(
2011
).
17.
E.
Lyon
and
C. T.
Wittwer
,
J. Mol. Diagn.
11
(
2
),
93
101
(
2009
).
18.
A.
Hühmer
and
J.
Landers
,
Anal. Chem.
72
(
21
),
5507
5512
(
2000
).
19.
X.
Cui
,
Q.
Ruan
,
X.
Zhuo
,
X.
Xia
,
J.
Hu
,
R.
Fu
,
Y.
Li
,
J.
Wang
, and
H.
Xu
,
Chem. Rev.
123
(
11
),
6891
6952
(
2023
).
20.
Z.
Li
,
L.
Leustean
,
F.
Inci
,
M.
Zheng
,
U.
Demirci
, and
S.
Wang
,
Biotechnol. Adv.
37
(
8
),
107440
(
2019
).
21.
A.
Jalili
,
M.
Bagheri
,
A.
Shamloo
, and
A. H. K.
Ashkezari
,
Sci. Rep.
11
(
1
),
23338
(
2021
).
22.
K. H.
Kim
,
E.
Ryu
,
Z. H.
Khaleel
,
S. E.
Seo
,
L.
Kim
,
Y. H.
Kim
,
H. G.
Park
, and
O. S.
Kwon
,
Biosens. Bioelectron.
246
,
115859
(
2024
).
23.
A.
Amadeh
,
E.
Ghazimirsaeed
,
A.
Shamloo
, and
M.
Dizani
,
J. Ind. Eng. Chem.
94
,
195
204
(
2021
).
24.
Y.
Qiu
,
K.
Jiang
,
J.
Wu
,
H.
Mi
,
Y.-K.
Peng
,
Y. Y.
Go
,
H. J.
Park
, and
J.-H.
Lee
,
Appl. Mater. Today
23
,
101054
(
2021
).
25.
M.
You
,
Z.
Li
,
S.
Feng
,
B.
Gao
,
C.
Yao
,
J.
Hu
, and
F.
Xu
,
Trends Biotechnol.
38
(
6
),
637
649
(
2020
).
26.
R.
Manishika
,
S. E.
Seo
,
K. H.
Kim
,
M.-S.
Lee
, and
O. S.
Kwon
,
Appl. Sci. Convergence Technol.
32
(
6
),
134
140
(
2023
).
27.
M.
Kibria
,
M.
Anisur
,
M.
Mahfuz
,
R.
Saidur
, and
I.
Metselaar
,
Energy Convers. Manage.
95
,
69
89
(
2015
).
28.
A.
Ganguly
,
M. J.
Rock
, and
D. J.
Prockop
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
90
(
21
),
10325
10329
(
1993
).
29.
Y.
Qiu
,
K.
Jiang
,
J.
Wu
,
Y.-K.
Peng
,
J.-W.
Oh
, and
J.-H.
Lee
,
Sens. Actuators, B
377
,
133110
(
2023
).
30.
L.
Jauffred
,
A.
Samadi
,
H.
Klingberg
,
P. M.
Bendix
, and
L. B.
Oddershede
,
Chem. Rev.
119
(
13
),
8087
8130
(
2019
).
31.
K. H.
Kim
,
S. E.
Seo
,
J.
Kim
,
S. J.
Park
,
J. E.
An
,
C. J.
Shin
,
C. M.
Ryu
,
S. W.
Lee
,
H. C.
Nam
, and
T. H.
Yoon
,
Adv. Funct. Mater.
33
,
2303728
(
2023
).
32.
B. K.
Kim
,
S.-A.
Lee
,
M.
Park
,
E. J.
Jeon
,
M. J.
Kim
,
J. M.
Kim
,
H.
Kim
,
S.
Jung
, and
S. K.
Kim
,
ACS Nano
16
(
12
),
20533
20544
(
2022
).
33.
J.
Nabuti
,
A. R. F.
Elbab
,
A.
Abdel-Mawgood
,
M.
Yoshihisa
, and
H. M.
Shalaby
,
Biosens. Bioelectron.: X
14
,
100346
(
2023
).
34.
B.
Yang
,
C.
Li
,
Z.
Wang
, and
Q.
Dai
,
Adv. Mater.
34
(
26
),
2107351
(
2022
).
35.
G.
Baffou
,
R.
Quidant
, and
F. J.
García de Abajo
,
ACS Nano
4
(
2
),
709
716
(
2010
).
36.
V.
Georgakilas
,
J. A.
Perman
,
J.
Tucek
, and
R.
Zboril
,
Chem. Rev.
115
(
11
),
4744
4822
(
2015
).
37.
H. J.
Kim
,
B.
Kim
,
Y.
Auh
, and
E.
Kim
,
Adv. Mater.
33
(
47
),
2005940
(
2021
).
38.
Z.
Li
,
H.
Lei
,
A.
Kan
,
H.
Xie
, and
W.
Yu
,
Energy
216
,
119262
(
2021
).
39.
L.
Zhao
,
Y.
Liu
,
R.
Chang
,
R.
Xing
, and
X.
Yan
,
Adv. Funct. Mater.
29
(
4
),
1806877
(
2019
).
40.
Y.
Yang
,
J.
Zan
,
Y.
Shuai
,
L.
Yang
,
L.
Zhang
,
H.
Zhang
,
D.
Wang
,
S.
Peng
, and
C.
Shuai
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
14
(
19
),
21996
22005
(
2022
).
41.
H.
Qiu
,
M.
Wang
,
L.
Zhang
,
M.
Cao
,
Y.
Ji
,
S.
Kou
,
J.
Dou
,
X.
Sun
, and
Z.
Yang
,
Sens. Actuators, B
320
,
128445
(
2020
).
42.
D.
Luo
,
J.
Tang
,
X.
Shen
,
F.
Ji
,
J.
Yang
,
S.
Weathersby
,
M. E.
Kozina
,
Z.
Chen
,
J.
Xiao
, and
Y.
Ye
,
Nano Lett.
21
(
19
),
8051
8057
(
2021
).
43.
K.
Wei
,
Y.
Sui
,
Z.
Xu
,
Y.
Kang
,
J.
You
,
Y.
Tang
,
H.
Li
,
Y.
Ma
,
H.
Ouyang
, and
X.
Zheng
,
Nat. Commun.
11
(
1
),
3876
(
2020
).
44.
K.
Shrestha
,
S.
Kim
,
J.
Han
,
G. M.
Florez
,
H.
Truong
,
T.
Hoang
,
S.
Parajuli
,
T.
Am
,
B.
Kim
, and
Y.
Jung
,
Adv. Sci.
10
(
28
),
2302072
(
2023
).
45.
G. W.
Hacker
and
J.
Gu
,
Gold and Silver Staining: Techniques in Molecular Morphology
(
CRC Press
,
2002
).
46.
T. A.
Taton
,
C. A.
Mirkin
, and
R. L.
Letsinger
,
Science
289
(
5485
),
1757
1760
(
2000
).
47.
S.-J.
Park
,
T. A.
Taton
, and
C. A.
Mirkin
,
Science
295
(
5559
),
1503
1506
(
2002
).
48.
H.
Li
,
J.
Huang
,
J.
Lv
,
H.
An
,
X.
Zhang
,
Z.
Zhang
,
C.
Fan
, and
J.
Hu
,
Angew. Chem.
117
(
32
),
5230
5233
(
2005
).
49.
M.
Li
,
Y.-C.
Lin
,
C.-C.
Wu
, and
H.-S.
Liu
,
Nucleic Acids Res.
33
(
21
),
e184
(
2005
).
50.
P. J. R.
Roche
,
L. K.
Beitel
,
R.
Khan
,
R.
Lumbroso
,
M.
Najih
,
M. C.-K.
Cheung
,
J.
Thiemann
,
V.
Veerasubramanian
,
M.
Trifiro
,
V. P.
Chodavarapu
, and
A. G.
Kirk
,
Analyst
137
(
19
),
4475
4481
(
2012
).
51.
G.
Baffou
and
R.
Quidant
,
Laser Photonics Rev.
7
(
2
),
171
187
(
2013
).
52.
J. A.
Webb
and
R.
Bardhan
,
Nanoscale
6
(
5
),
2502
2530
(
2014
).
53.
Z.
Zhang
,
S.
Zhao
,
F.
Hu
,
G.
Yang
,
J.
Li
,
H.
Tian
, and
N.
Peng
,
Micromachines
11
(
2
),
177
(
2020
).
54.
C. D.
Ahrberg
,
J. W.
Choi
,
J. M.
Lee
,
K. G.
Lee
,
S. J.
Lee
,
A.
Manz
, and
B. G.
Chung
,
Lab Chip
20
(
19
),
3560
3568
(
2020
).
55.
J. H.
Son
,
S.
Hong
,
A. J.
Haack
,
L.
Gustafson
,
M.
Song
,
O.
Hoxha
, and
L. P.
Lee
,
Adv. Healthcare Mater.
5
(
1
),
167
174
(
2016
).
56.
H. G.
Kye
,
C. D.
Ahrberg
,
B. S.
Park
,
J. M.
Lee
, and
B. G.
Chung
,
BioChip J.
14
,
195
203
(
2020
).
57.
B.
Lee
,
Y.
Lee
,
S.-M.
Kim
,
K.
Kim
, and
M.-G.
Kim
,
Sens. Actuators, B
360
,
131554
(
2022
).
58.
J.
Kim
,
H.
Kim
,
J. H.
Park
, and
S.
Jon
,
Nanotheranostics
1
(
2
),
178
(
2017
).
59.
J.-H.
Lee
,
Z.
Cheglakov
,
J.
Yi
,
T. M.
Cronin
,
K. J.
Gibson
,
B.
Tian
, and
Y.
Weizmann
,
J. Am. Chem. Soc.
139
(
24
),
8054
8057
(
2017
).
60.
B.
Cho
,
S. H.
Lee
,
J.
Song
,
S.
Bhattacharjee
,
J.
Feng
,
S.
Hong
,
M.
Song
,
W.
Kim
,
J.
Lee
, and
D.
Bang
,
ACS Nano
13
(
12
),
13866
13874
(
2019
).
61.
C.-H.
Chou
,
C.-D.
Chen
, and
C. C.
Wang
,
J. Phys. Chem. B
109
(
22
),
11135
11138
(
2005
).
62.
C.
Fang
,
L.
Shao
,
Y.
Zhao
,
J.
Wang
, and
H.
Wu
,
Adv. Mater.
1
(
24
),
94
98
(
2011
).
63.
H.
Chen
,
L.
Shao
,
T.
Ming
,
Z.
Sun
,
C.
Zhao
,
B.
Yang
, and
J.
Wang
,
Small
6
(
20
),
2272
2280
(
2010
).
64.
Z.
Li
,
P.
Wang
,
L.
Tong
, and
L.
Zhang
,
Opt. Express
21
(
1
),
1281
1286
(
2013
).
65.
P. J.
Roche
,
M.
Najih
,
S. S.
Lee
,
L. K.
Beitel
,
M. L.
Carnevale
,
M.
Paliouras
,
A. G.
Kirk
, and
M. A.
Trifiro
,
Analyst
142
(
10
),
1746
1755
(
2017
).
66.
P.
Mohammadyousef
,
M.
Paliouras
,
M. A.
Trifiro
, and
A. G.
Kirk
,
Analyst
146
(
18
),
5619
5630
(
2021
).
67.
N. R.
Blumenfeld
,
M. A. E.
Bolene
,
M.
Jaspan
,
A. G.
Ayers
,
S.
Zarrandikoetxea
,
J.
Freudman
,
N.
Shah
,
A. M.
Tolwani
,
Y.
Hu
, and
T. L.
Chern
,
Nat. Nanotechnol.
17
(
9
),
984
992
(
2022
).
68.
S.
Restaino
and
I.
White
,
Lab Chip
18
(
5
),
832
839
(
2018
).
69.
H.
Monshat
,
Z.
Wu
,
J.
Pang
,
Q.
Zhang
, and
M.
Lu
,
J. Biophotonics
13
(
7
),
e202000060
(
2020
).
70.
Y.
Lee
,
B.-H.
Kang
,
M.
Kang
,
D. R.
Chung
,
G.-S.
Yi
,
L. P.
Lee
, and
K.-H.
Jeong
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
(
11
),
12533
12540
(
2020
).
71.
B.-H.
Kang
,
Y.
Lee
,
E.-S.
Yu
,
H.
Na
,
M.
Kang
,
H. J.
Huh
, and
K.-H.
Jeong
,
ACS Nano
15
(
6
),
10194
10202
(
2021
).
72.
B.-H.
Kang
,
K.-W.
Jang
,
E.-S.
Yu
,
H.
Na
,
Y.-J.
Lee
,
W.-Y.
Ko
,
N.
Bae
,
D.
Rho
, and
K.-H.
Jeong
,
ACS Nano
17
(
7
),
6507
6518
(
2023
).
73.
J.
Navarro
,
F.
Lerouge
,
G.
Micouin
,
C.
Cepraga
,
A.
Favier
,
M.
Charreyre
,
N.
Blanchard
,
J.
Lermé
,
F.
Chaput
, and
M.
Focsan
,
Nanoscale
6
(
10
),
5138
5145
(
2014
).
74.
H.
de Puig
,
J. O.
Tam
,
C.-W.
Yen
,
L.
Gehrke
, and
K.
Hamad-Schifferli
,
J. Phys. Chem. C
119
(
30
),
17408
17415
(
2015
).
75.
L.
Zhu
,
J.
Zhao
,
Y.
Fang
,
Z.
Guo
,
M.
Wang
, and
N.
He
,
Nano Today
53
,
102029
(
2023
).
76.
J.
Wu
,
K.
Jiang
,
H.
Mi
,
Y.
Qiu
,
J.
Son
,
H. J.
Park
,
J.-M.
Nam
, and
J.-H.
Lee
,
Nanoscale
13
(
15
),
7348
7354
(
2021
).
77.
K.
Jiang
,
J.-H.
Lee
,
T. S.
Fung
,
J.
Wu
,
C.
Liu
,
H.
Mi
,
R. J.
Rajapakse
,
U. B.
Balasuriya
,
Y.-K.
Peng
, and
Y. Y.
Go
,
Anal. Chim. Acta
127
,
341565
(
2023
).
78.
K.
Jiang
,
J.
Wu
,
Y.
Qiu
,
Y. Y.
Go
,
K.
Ban
,
H. J.
Park
, and
J.-H.
Lee
,
Sens. Actuators, B
337
,
129762
(
2021
).
79.
K.
Jiang
,
J.
Wu
,
J.-E.
Kim
,
S.
An
,
J.-M.
Nam
,
Y.-K.
Peng
, and
J.-H.
Lee
,
Nano Lett.
23
(
9
),
3897
3903
(
2023
).
80.
O.
Opota
,
A.
Croxatto
,
G.
Prod'Hom
, and
G.
Greub
,
Clin. Microbiol. Infect.
21
(
4
),
313
322
(
2015
).
81.
D. S.
Leland
and
C. C.
Ginocchio
,
Clin. Microbiol. Rev.
20
(
1
),
49
78
(
2007
).
82.
I. A.
Quintela
,
T.
Vasse
,
C.-S.
Lin
, and
V. C.
Wu
,
Front. Microbiol.
13
,
1054782
(
2022
).
83.
L.
Váradi
,
J. L.
Luo
,
D. E.
Hibbs
,
J. D.
Perry
,
R. J.
Anderson
,
S.
Orenga
, and
P. W.
Groundwater
,
Chem. Soc. Rev.
46
(
16
),
4818
4832
(
2017
).
84.
J.
Lukose
,
S.
Chidangil
, and
S. D.
George
,
Biosens. Bioelectron.
178
,
113004
(
2021
).
85.
R. M.
Meganck
and
R. S.
Baric
,
Nat. Med.
27
(
3
),
401
410
(
2021
).
86.
F.
Nasrollahi
,
R.
Haghniaz
,
V.
Hosseini
,
E.
Davoodi
,
M.
Mahmoodi
,
S.
Karamikamkar
,
M. A.
Darabi
,
Y.
Zhu
,
J.
Lee
, and
S. E.
Diltemiz
,
Small
17
(
45
),
2100692
(
2021
).
87.
Y.
Shi
,
Z.
Li
,
P. Y.
Liu
,
B. T. T.
Nguyen
,
W.
Wu
,
Q.
Zhao
,
L. K.
Chin
,
M.
Wei
,
P. H.
Yap
, and
X.
Zhou
,
Adv. Photonics Res.
2
(
4
),
2000150
(
2021
).
88.
C.
Wang
,
M.
Liu
,
Z.
Wang
,
S.
Li
,
Y.
Deng
, and
N.
He
,
Nano Today
37
,
101092
(
2021
).
89.
M.
Xiao
,
F.
Tian
,
X.
Liu
,
Q.
Zhou
,
J.
Pan
,
Z.
Luo
,
M.
Yang
, and
C.
Yi
,
Adv. Sci.
9
(
17
),
2105904
(
2022
).
90.
J.
Cheong
,
H.
Yu
,
C. Y.
Lee
,
J.-u.
Lee
,
H.-J.
Choi
,
J.-H.
Lee
,
H.
Lee
, and
J.
Cheon
,
Nat. Biomed. Eng.
4
(
12
),
1159
1167
(
2020
).
91.
A.
Saravanan
,
P. S.
Kumar
,
R.
Hemavathy
,
S.
Jeevanantham
,
R.
Kamalesh
,
S.
Sneha
, and
P.
Yaashikaa
,
Environ. Chem. Lett.
19
,
189
207
(
2021
).
92.
T. E.
Love
and
B.
Jones
,
Principles of Bacterial Detection: Biosensors, Recognition Receptors and Microsystems
(
Springer
,
2008
), pp.
3
13
.
93.
B.
Li
and
T. J.
Webster
,
J. Orthop. Res.
36
(
1
),
22
32
(
2018
).
94.
C.
McGoverin
,
C.
Steed
,
A.
Esan
,
J.
Robertson
,
S.
Swift
, and
F.
Vanholsbeeck
,
APL Photonics
6
(
8
),
080903
(
2021
).
95.
T.
Yu
and
Y.
Xianyu
,
Small
17
(
21
),
2006230
(
2021
).
96.
J.
Zhang
,
M.
Zhou
,
X.
Li
,
Y.
Fan
,
J.
Li
,
K.
Lu
,
H.
Wen
, and
J.
Ren
,
Talanta
254
,
124133
(
2023
).
97.
K.
Wang
,
Z.
Wang
,
H.
Zeng
,
X.
Luo
, and
T.
Yang
,
ACS Appl. Bio Mater.
3
(
11
),
7291
7305
(
2020
).
You do not currently have access to this content.