Diagnosis of disease at an early, curable, and reversible stage allows more conservative treatment and better patient outcomes. Fluorescence biosensing is a widely used method to detect biomarkers, which are early indicators of disease. Importantly, biosensing requires a high level of sensitivity. Traditionally, these sensors use antibodies or enzymes as biorecognition molecules; however, these can lack the specificity required in a clinical setting, limiting their overall applicability. Aptamers are short, single stranded nucleotides that are receiving increasing attention over traditional recognition molecules. These exhibit many advantages, such as high specificity, making them promising for ultrasensitive biosensors. Metal enhanced fluorescence (MEF) utilizes plasmonic materials, which can increase the sensitivity of label-based fluorescent biosensors. The fluorescence enhancement achieved by placing metallic nanostructures in close proximity to fluorophores allows for detection of ultra-low biomarker concentrations. Plasmonic biosensors have been successfully implemented as diagnostic tools for a number of diseases, such as cancer, yet reproducible systems exhibiting high specificity and the ability to multiplex remain challenging. Similarly, while aptasensors have been extensively reported, few systems currently incorporate MEF, which could drastically improve biosensor sensitivity. Here, we review the latest advancements in the field of aptamer biosensing based on MEF that have been explored for the detection of a wide variety of biological molecules. While this emerging biosensing technology is still in its infant stage, we highlight the potential challenges and its clinical potential in early diagnosis of diseases.

1.
A.
Kazarian
,
O.
Blyuss
,
G.
Metodieva
,
A.
Gentry-Maharaj
,
A.
Ryan
,
E. M.
Kiseleva
,
O. M.
Prytomanova
,
I. J.
Jacobs
,
M.
Widschwendter
,
U.
Menon
, and
J. F.
Timms
,
Br. J. Cancer
116
(
4
),
501
508
(
2017
).
2.
S. P.
Pereira
,
L.
Oldfield
,
A.
Ney
,
P. A.
Hart
,
M. G.
Keane
,
S. J.
Pandol
,
D.
Li
,
W.
Greenhalf
,
C. Y.
Jeon
,
E. J.
Koay
,
C. V.
Almario
,
C.
Halloran
,
A. M.
Lennon
, and
E.
Costello
,
Lancet Gastroenterol. Hepatol.
5
(
7
),
698
710
(
2020
).
3.
S.
Capriglione
,
D.
Luvero
,
F.
Plotti
,
C.
Terranova
,
R.
Montera
,
G.
Scaletta
,
T.
Schirò
,
G.
Rossini
,
P.
Benedetti Panici
, and
R.
Angioli
,
Med. Oncol.
34
(
9
),
164
(
2017
).
4.
D.
Sammon Jesse
,
C.
Serrell Emily
,
P.
Karabon
,
J.
Leow Jeffrey
,
F.
Abdollah
,
S.
Weissman Joel
,
K. J.
Han Paul
,
M.
Hansen
,
M.
Menon
, and
Q.-D.
Trinh
,
J. Urol.
199
(
1
),
81
88
(
2018
).
5.
L.
Qian
,
Q.
Li
,
K.
Baryeh
,
W.
Qiu
,
K.
Li
,
J.
Zhang
,
Q.
Yu
,
D.
Xu
,
W.
Liu
,
R. E.
Brand
,
X.
Zhang
,
W.
Chen
, and
G.
Liu
,
Transl. Res.
213
,
67
89
(
2019
).
6.
P.
Damborský
,
J.
Švitel
, and
J.
Katrlík
,
Essays Biochem.
60
(
1
),
91
100
(
2016
).
7.
P.
Mehrotra
,
J. Oral Biol. Craniofacial Res.
6
(
2
),
153
159
(
2016
).
9.
S. M.
Fothergill
,
C.
Joyce
, and
F.
Xie
,
Nanoscale
10
(
45
),
20914
20929
(
2018
).
10.
M.
Bauch
,
K.
Toma
,
M.
Toma
,
Q.
Zhang
, and
J.
Dostalek
,
Plasmonics
9
(
4
),
781
799
(
2014
).
11.
A. D.
Keefe
,
S.
Pai
, and
A.
Ellington
,
Nat. Rev. Drug Discovery
9
(
7
),
537
550
(
2010
).
12.
X.
Zhao
,
X.
Dai
,
S.
Zhao
,
X.
Cui
,
T.
Gong
,
Z.
Song
,
H.
Meng
,
X.
Zhang
, and
B.
Yu
,
Spectrochim. Acta, Part A
247
,
119038
(
2021
).
13.
C.
Tuerk
and
L.
Gold
,
Sci.
249
(
4968
),
505
(
1990
).
14.
K.-M.
Song
,
S.
Lee
, and
C.
Ban
,
Sensors
12
(
1
),
612
631
(
2012
).
15.
S.
Song
,
L.
Wang
,
J.
Li
,
C.
Fan
, and
J.
Zhao
,
TrAC Trends Anal. Chem.
27
(
2
),
108
117
(
2008
).
16.
P.
Ko Ferrigno
,
Essays Biochem.
60
(
1
),
19
25
(
2016
).
17.
I.
Jovčevska
and
S.
Muyldermans
,
BioDrugs
34
(
1
),
11
26
(
2020
).
18.
H. H.
Nguyen
,
S. H.
Lee
,
U. J.
Lee
,
C. D.
Fermin
, and
M.
Kim
,
Materials
12
(
1
),
121
(
2019
).
19.
C. R.
Ispas
,
G.
Crivat
, and
S.
Andreescu
,
Anal. Lett.
45
(
2–3
),
168
186
(
2012
).
20.
J. I.
Reyes-De-Corcuera
,
H. E.
Olstad
, and
R.
García-Torres
,
Annu. Rev. Food Sci. Technol.
9
(
1
),
293
322
(
2018
).
21.
A. R.
Chandrasekaran
,
N.
Anderson
,
M.
Kizer
,
K.
Halvorsen
, and
X.
Wang
,
ChemBioChem
17
(
12
),
1081
1089
(
2016
).
22.
V. V.
Thacker
,
L. O.
Herrmann
,
D. O.
Sigle
,
T.
Zhang
,
T.
Liedl
,
J. J.
Baumberg
, and
U. F.
Keyser
,
Nat. Commun.
5
(
1
),
3448
(
2014
).
23.
M.
Loretan
,
I.
Domljanovic
,
M.
Lakatos
,
C.
Rüegg
, and
G. P.
Acuna
,
Materials
13
(
9
),
2185
(
2020
).
24.
S.
Ramakrishnan
,
H.
Ijäs
,
V.
Linko
, and
A.
Keller
,
Comput. Struct. Biotechnol. J.
16
,
342
349
(
2018
).
25.
D.
Wang
,
Z.
Da
,
B.
Zhang
,
M. A.
Isbell
,
Y.
Dong
,
X.
Zhou
,
H.
Liu
,
J. Y. Y.
Heng
, and
Z.
Yang
,
RSC Adv.
5
(
72
),
58734
58737
(
2015
).
26.
S.
Arshavsky-Graham
,
K.
Urmann
,
R.
Salama
,
N.
Massad-Ivanir
,
J.-G.
Walter
,
T.
Scheper
, and
E.
Segal
,
Analyst
145
(
14
),
4991
5003
(
2020
).
27.
R.
Chhasatia
,
M. J.
Sweetman
,
F. J.
Harding
,
M.
Waibel
,
T.
Kay
,
H.
Thomas
,
T.
Loudovaris
, and
N. H.
Voelcker
,
Biosens. Bioelectron.
91
,
515
522
(
2017
).
28.
P.
Dhar
,
R. M.
Samarasinghe
, and
S.
Shigdar
,
Int. J. Mol. Sci.
21
(
7
),
2485
(
2020
).
29.
P. F.
Molefe
,
P.
Masamba
,
B. E.
Oyinloye
,
L. S.
Mbatha
,
M.
Meyer
, and
A. P.
Kappo
,
Pharmaceuticals
11
(
4
),
93
(
2018
).
30.
A. V.
Lakhin
,
V. Z.
Tarantul
, and
L. V.
Gening
,
Acta Nat.
5
(
4
),
34
43
(
2013
).
31.
C. D.
Geddes
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
(
45
),
19537
(
2013
).
32.
C. D.
Geddes
and
J. R.
Lakowicz
,
J. Fluoresc.
12
(
2
),
121
129
(
2002
).
33.
C.
Joyce
,
S. M.
Fothergill
, and
F.
Xie
,
Mater. Today Adv.
7
,
100073
(
2020
).
34.
H.
Shen
,
N.
Guillot
,
J.
Rouxel
,
M.
Lamy de la Chapelle
, and
T.
Toury
,
Opt. Express
20
(
19
),
21278
21290
(
2012
).
35.
Z. A. R.
Jawad
,
I. G.
Theodorou
,
L. R.
Jiao
, and
F.
Xie
,
Sci. Rep.
7
(
1
),
14309
(
2017
).
36.
D. P.
Brien
,
N. S.
Sandanayake
,
C.
Jenkinson
,
A.
Gentry-Maharaj
,
S.
Apostolidou
,
E.-O.
Fourkala
,
S.
Camuzeaux
,
O.
Blyuss
,
R.
Gunu
,
A.
Dawnay
,
A.
Zaikin
,
R. C.
Smith
,
I. J.
Jacobs
,
U.
Menon
,
E.
Costello
,
S. P.
Pereira
, and
J. F.
Timms
,
Clin. Cancer Res.
21
(
3
),
622
(
2015
).
37.
M. T.
Yaraki
and
Y. N.
Tan
,
Chem. – An Asian J.
15
(
20
),
3180
3208
(
2020
).
38.
B.
Della Ventura
,
M.
Gelzo
,
E.
Battista
,
A.
Alabastri
,
A.
Schirato
,
G.
Castaldo
,
G.
Corso
,
F.
Gentile
, and
R.
Velotta
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
(
4
),
3753
3762
(
2019
).
39.
B. J.
Yun
,
J. E.
Kwon
,
K.
Lee
, and
W.-G.
Koh
,
Sens. Actuators, B
284
,
140
147
(
2019
).
40.
F.
Xie
,
M. S.
Baker
, and
E. M.
Goldys
,
Chem. Mater.
20
(
5
),
1788
1797
(
2008
).
41.
S.
De Marchi
,
S.
Núñez-Sánchez
,
G.
Bodelón
,
J.
Pérez-Juste
, and
I.
Pastoriza-Santos
,
Nanoscale
12
(
46
),
23424
23443
(
2020
).
42.
K.
Sugawa
,
T.
Tamura
,
H.
Tahara
,
D.
Yamaguchi
,
T.
Akiyama
,
J.
Otsuki
,
Y.
Kusaka
,
N.
Fukuda
, and
H.
Ushijima
,
ACS Nano
7
(
11
),
9997
10010
(
2013
).
43.
K.
Sugawa
,
M.
Matsubara
,
H.
Tahara
,
D.
Kanai
,
J.
Honda
,
J.
Yokoyama
,
K.
Kanakubo
,
H.
Ozawa
,
Y.
Watanuki
,
Y.
Kojima
,
N.
Nishimiya
,
T.
Sagara
,
K.
Takase
,
M.-A.
Haga
, and
J.
Otsuki
,
ACS Appl. Energy Mater.
2
(
9
),
6472
6483
(
2019
).
44.
C.
Xu
,
G.
Qiu
,
S. P.
Ng
, and
C.-M.
Lawrence Wu
,
Ceram. Int.
46
(
13
),
20993
20999
(
2020
).
45.
Y.
Liu
,
M.
Liu
, and
M. T.
Swihart
,
J. Phys. Chem. C
121
(
25
),
13435
13447
(
2017
).
46.
V.
Narasimhan
,
R. H.
Siddique
,
M.
Hoffmann
,
S.
Kumar
, and
H.
Choo
,
Nanoscale
11
(
29
),
13750
13757
(
2019
).
47.
M.
Peng
,
F.
Sun
,
N.
Na
, and
J.
Ouyang
,
Small
16
(
19
),
2000460
(
2020
).
48.
F.
Xie
,
J. S.
Pang
,
A.
Centeno
,
M. P.
Ryan
,
D. J.
Riley
, and
N. M.
Alford
,
Nano Res.
6
(
7
),
496
510
(
2013
).
49.
M.
Zheng
,
Y.
Kang
,
D.
Liu
,
C.
Li
,
B.
Zheng
, and
H.
Tang
,
Sens. Actuators, B
319
,
128263
(
2020
).
50.
A.
Lotfi
,
M.
Nikkhah
, and
A.
Moshaii
,
Plasmonics
14
(
3
),
561
568
(
2019
).
51.
N.
Sui
,
L.
Wang
,
F.
Xie
,
F.
Liu
,
H.
Xiao
,
M.
Liu
, and
W. W.
Yu
,
Microchim. Acta
183
(
5
),
1563
1570
(
2016
).
52.
T. H.
Chow
,
N.
Li
,
X.
Bai
,
X.
Zhuo
,
L.
Shao
, and
J.
Wang
,
Acc. Chem. Res.
52
(
8
),
2136
2146
(
2019
).
53.
X.
Zhu
,
H. K.
Yip
,
X.
Zhuo
,
R.
Jiang
,
J.
Chen
,
X.-M.
Zhu
,
Z.
Yang
, and
J.
Wang
,
J. Am. Chem. Soc.
139
(
39
),
13837
13846
(
2017
).
54.
P.
Zheng
,
H.
Tang
,
B.
Liu
,
S.
Kasani
,
L.
Huang
, and
N.
Wu
,
Nano Res.
12
(
1
),
63
68
(
2019
).
55.
M.-K.
Nguyen
,
W.-N.
Su
,
C.-H.
Chen
,
J.
Rick
, and
B.-J.
Hwang
,
Spectrochim. Acta, Part A
175
,
239
245
(
2017
).
56.
Y.-K.
Xu
,
S.
Hwang
,
S.
Kim
, and
J.-Y.
Chen
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
6
(
8
),
5619
5628
(
2014
).
57.
H.
Li
,
Q.
Chen
,
M. M.
Hassan
,
Q.
Ouyang
,
T.
Jiao
,
Y.
Xu
, and
M.
Chen
,
Anal. Chim. Acta
1018
,
94
103
(
2018
).
58.
A.
Genç
,
J.
Patarroyo
,
J.
Sancho-Parramon
,
N. G.
Bastús
,
V.
Puntes
, and
J.
Arbiol
,
Nanophotonics
6
(
1
),
193
213
(
2017
).
59.
J. S.
Pang
,
I. G.
Theodorou
,
A.
Centeno
,
P. K.
Petrov
,
N. M.
Alford
,
M. P.
Ryan
, and
F.
Xie
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
11
(
26
),
23083
23092
(
2019
).
60.
J.
Shi
,
F.
Tian
,
J.
Lyu
, and
M.
Yang
,
J. Mater. Chem. B
3
(
35
),
6989
7005
(
2015
).
61.
W.
Zhou
,
P.-J.
Jimmy Huang
,
J.
Ding
, and
J.
Liu
,
Analyst
139
(
11
),
2627
2640
(
2014
).
62.
C.
Roxo
,
W.
Kotkowiak
, and
A.
Pasternak
,
Molecules
24
(
20
),
3781
(
2019
).
63.
D.
Evanko
,
Nat. Methods
1
(
3
),
186
186
(
2004
).
64.
Q.
Zhu
,
H.
Li
, and
D.
Xu
,
RSC Adv.
10
(
29
),
17037
17044
(
2020
).
65.
Y.
Jeong
,
Y.-M.
Kook
,
K.
Lee
, and
W.-G.
Koh
,
Biosens. Bioelectron.
111
,
102
116
(
2018
).
66.
W.
Wang
,
Y.
Wang
,
H.
Pan
,
S.
Cheddah
, and
C.
Yan
,
Microchim. Acta
186
(
8
),
544
(
2019
).
67.
L.
Yang
,
N.
Li
,
K.
Wang
,
X.
Hai
,
J.
Liu
, and
F.
Dang
,
Talanta
179
,
531
537
(
2018
).
68.
N. M.
Danesh
,
R.
Yazdian-Robati
,
M.
Ramezani
,
M.
Alibolandi
,
K.
Abnous
, and
S. M.
Taghdisi
,
Sens. Actuators, B
256
,
408
412
(
2018
).
69.
H.
Jin
,
R.
Gui
,
J.
Gong
, and
W.
Huang
,
Biosens. Bioelectron.
92
,
378
384
(
2017
).
70.
D.
Yang
,
M.
Liu
,
J.
Xu
,
C.
Yang
,
X.
Wang
,
Y.
Lou
,
N.
He
, and
Z.
Wang
,
Talanta
185
,
113
117
(
2018
).
71.
Y.
Wang
,
Z.
Li
,
H.
Li
,
M.
Vuki
,
D.
Xu
, and
H.-Y.
Chen
,
Biosens. Bioelectron.
32
(
1
),
76
81
(
2012
).
72.
J. H.
Choi
,
H. S.
Kim
,
J.-W.
Choi
,
J. W.
Hong
,
Y.-K.
Kim
, and
B.-K.
Oh
,
Biosens. Bioelectron.
49
,
415
419
(
2013
).
73.
J.-H.
Choi
and
J.-W.
Choi
,
Nano Lett.
20
(
10
),
7100
7107
(
2020
).
74.
X.
Yang
,
Y.
Zhuo
,
S.
Zhu
,
Y.
Luo
,
Y.
Feng
, and
Y.
Xu
,
Biosens. Bioelectron.
64
,
345
351
(
2015
).
75.
K.
Aslan
,
M.
Wu
,
J. R.
Lakowicz
, and
C. D.
Geddes
,
J. Am. Chem. Soc.
129
(
6
),
1524
1525
(
2007
).
76.
Y.
Pang
,
Z.
Rong
,
J.
Wang
,
R.
Xiao
, and
S.
Wang
,
Biosens. Bioelectron.
66
,
527
532
(
2015
).
77.
Y.
Pang
,
Z.
Rong
,
R.
Xiao
, and
S.
Wang
,
Sci. Rep.
5
(
1
),
9451
(
2015
).
78.
Y.-L.
Deng
,
D.-D.
Xu
,
D.-W.
Pang
, and
H.-W.
Tang
,
Nanotechnology
28
(
6
),
065501
(
2017
).
79.
S.
Velasquez
,
L.
Prevedel
,
S.
Valdebenito
,
A. M.
Gorska
,
M.
Golovko
,
N.
Khan
,
J.
Geiger
, and
E. A.
Eugenin
,
EBioMedicine
51
,
102503
(
2020
).
80.
K.
Sugaya
,
S.
Nishijima
,
K.
Kadekawa
,
M.
Miyazato
, and
H.
Mukouyama
,
Biomed. Res.
30
(
5
),
287
294
(
2009
).
81.
Y.
Qian
,
X.
Wang
,
Y.
Li
,
Y.
Cao
, and
X.
Chen
,
Mol. Cancer Res.
14
(
11
),
1087
(
2016
).
82.
L.
Lu
,
Y.
Qian
,
L.
Wang
,
K.
Ma
, and
Y.
Zhang
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
6
(
3
),
1944
1950
(
2014
).
83.
Q.
Song
,
M.
Peng
,
L.
Wang
,
D.
He
, and
J.
Ouyang
,
Biosens. Bioelectron.
77
,
237
241
(
2016
).
84.
L.
Jiang
,
X.
Hang
,
P.
Zhang
,
J.
Zhang
,
Y.
Wang
,
W.
Wang
, and
L.
Ren
,
Microchem. J.
148
,
285
290
(
2019
).
85.
O.
Adegoke
and
E. Y.
Park
,
Nanoscale Res. Lett.
11
(
1
),
523
(
2016
).
86.
J.-H.
Choi
,
J.
Lim
,
M.
Shin
,
S.-H.
Paek
, and
J.-W.
Choi
,
Nano Lett.
21
(
1
),
693
699
(
2021
).
87.
K. B.
Kuchenbaecker
,
J. L.
Hopper
,
D. R.
Barnes
,
K. A.
Phillips
,
T. M.
Mooij
,
M. J.
Roos-Blom
,
S.
Jervis
,
F. E.
van Leeuwen
,
R. L.
Milne
,
N.
Andrieu
,
D. E.
Goldgar
,
M. B.
Terry
,
M. A.
Rookus
,
D. F.
Easton
,
A. C.
Antoniou
,
L.
McGuffog
,
D. G.
Evans
,
D.
Barrowdale
,
D.
Frost
,
J.
Adlard
,
K. R.
Ong
,
L.
Izatt
,
M.
Tischkowitz
,
R.
Eeles
,
R.
Davidson
,
S.
Hodgson
,
S.
Ellis
,
C.
Nogues
,
C.
Lasset
,
D.
Stoppa-Lyonnet
,
J. P.
Fricker
,
L.
Faivre
,
P.
Berthet
,
M. J.
Hooning
,
L. E.
van der Kolk
,
C. M.
Kets
,
M. A.
Adank
,
E. M.
John
,
W. K.
Chung
,
I. L.
Andrulis
,
M.
Southey
,
M. B.
Daly
,
S. S.
Buys
,
A.
Osorio
,
C.
Engel
,
K.
Kast
,
R. K.
Schmutzler
,
T.
Caldes
,
A.
Jakubowska
,
J.
Simard
,
M. L.
Friedlander
,
S. A.
McLachlan
,
E.
Machackova
,
L.
Foretova
,
Y. Y.
Tan
,
C. F.
Singer
,
E.
Olah
,
A. M.
Gerdes
,
B.
Arver
, and
H.
Olsson
,
JAMA
317
(
23
),
2402
2416
(
2017
).
88.
Z.
Zhu
,
P.
Yuan
,
S.
Li
,
M.
Garai
,
M.
Hong
, and
Q.-H.
Xu
,
ACS Appl. Bio Mater.
1
(
1
),
118
124
(
2018
).
89.
Y.
Wang
,
H.
Li
, and
D.
Xu
,
Anal. Chim. Acta
905
,
149
155
(
2016
).
90.
R. H.
Siddique
,
S.
Kumar
,
V.
Narasimhan
,
H.
Kwon
, and
H.
Choo
,
ACS Nano
13
(
12
),
13775
13783
(
2019
).
91.
I. G.
Theodorou
,
Z. A. R.
Jawad
,
H.
Qin
,
E. O.
Aboagye
,
A. E.
Porter
,
M. P.
Ryan
, and
F.
Xie
,
Nanoscale
8
(
26
),
12869
12873
(
2016
).
92.
A. N.
Masterson
,
T.
Liyanage
,
C.
Berman
,
H.
Kaimakliotis
,
M.
Johnson
, and
R.
Sardar
,
Analyst
145
(
12
),
4173
4180
(
2020
).
93.
S.-H.
Cao
,
Y.-H.
Weng
,
K.-X.
Xie
,
Z.-C.
Wang
,
X.-H.
Pan
,
M.
Chen
,
Y.-Y.
Zhai
,
L.-T.
Xu
, and
Y.-Q.
Li
,
ACS Appl. Bio Mater.
2
(
2
),
625
629
(
2019
).
94.
A.
Minopoli
,
B.
Della Ventura
,
B.
Lenyk
,
F.
Gentile
,
J. A.
Tanner
,
A.
Offenhäusser
,
D.
Mayer
, and
R.
Velotta
,
Nat. Commun.
11
(
1
),
6134
(
2020
).
95.
X.
Ji
,
C.
Xiao
,
W.-F.
Lau
,
J.
Li
, and
J.
Fu
,
Biosens. Bioelectron.
82
,
240
247
(
2016
).
96.
D.
Harpaz
,
N.
Alkan
, and
E.
Eltzov
,
Biosensors
10
(
12
),
204
(
2020
).
You do not currently have access to this content.