Detekce narkotik ve vzduchu pomocí SERS: Aktuální stav a výzvy

Abstrakt

The rapid increase in illicit drug trafficking via shipping containers poses a significant security risk. This work presents a fast and reliable method for detecting narcotics and new psychoactive substances (NPS) in container air using a combination of Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) and artificial neural networks (ANN). A SERS-active filtration device was developed to enable sample collection without opening the containers, and experimental measurements were performed under both laboratory and field conditions. The acquired SERS spectra were pre-processed and analysed using a convolutional neural network optimized for NPS identification, achieving high F1-scores (0.92) and low limits of detection (~0.9 ng m^–3 for amphetamine-type substances and 10^–3 ng m^–3 for cocaine). The proposed approach also enabled the detection of previously unknown NPS based on molecular similarity to known substances, with a detection accuracy exceeding 93%, without requiring their spectra in the training database. These results demonstrate the practical applicability of the proposed system for rapid, safe, and reliable monitoring of shipping containers, providing a promising tool for the early detection of both established and emerging narcotics and psychotropic substances.

Rychlý růst pašování omamných a psychotropních látek (OPL) přepravními kontejnery představuje významné bezpečnostní riziko. V této práci je představena metoda pro rychlou a spolehlivou detekci OPL ve vzduchu z přepravních kontejnerů kombinující povrchově zesílenou Ramanovu spektroskopii (SERS, z angl. Surface Enhanced Raman Spectroscopy) a umělou neuronovou síť (ANN). Byla vyvinuta SERS-aktivní filtrační aparatura umožňující odběr vzorků bez otevírání kontejnerů, a provedena experimentální měření v laboratorních podmínkách i v terénu. SERS spektra byla předzpracována a vyhodnocena konvoluční neuronovou sítí optimalizovanou pro identifikaci OPL, přičemž byly dosaženy vysoké hodnoty F1-skóre (0,92) a nízké meze detekce (~0,9 ng m^–3 pro amfetaminovou řadu a 10^–12 g m^–3 pro kokain). Metoda dále umožnila detekci dříve neznámých OPL na základě molekulární podobnosti s již známými látkami s přesností přes 93 %, aniž by byla nutná přítomnost jejich spekter v trénovací databázi. Výsledky potvrzují praktickou využitelnost navrženého systému pro rychlé, bezpečné a spolehlivé monitorování přepravních kontejnerů a představují perspektivní nástroj pro včasnou detekci známých i nově se objevujících OPL.