Görece kısa süreli WiFi ışıması biyolojik dokuları etkiliyor mu?
Does relatively short term exposure to WiFi affect bi̇ologi̇cal ti̇ssues ?
Yazar: YASEMİN MARAŞLIGİLLER
Danışman: PROF. DR. FATMA İNCİ ÇİLESİZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Biyomedikal Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Teknolojinin gelişmesi ile birçok alanda olduğu gibi iletişim ve haberleşme  de çok daha kolay ve basit yöntemlerle gerçekleşmektedir. Günümüzde dünya genelinde kablosuz ağ iletişimini sağlayan Wi-Fi (Wireless Fidelity) bu sistemlerden bir tanesidir. Wi-Fi tıpkı cep telefonlarında ve telsiz cihazlarında olduğu gibi çevresine yüksek frekanslı radyo dalgaları ve elektriksel enerji yollar. Bu yüksek frekanslı radyo dalgaları ve elektriksel enerji uzaklıkla beraber azalır ve enerji küresel bir düzlemde yayıldığından daha geniş bir alan boyunca dağılım gösterir. Wi-Fi, yüksek frekanslı EM ışıma yaydığından dolayı ( genellikle 2,4 GHz veya 5 GHz - 0,3 Watt (25 dBm)) Wi-Fi kullanımına bağlı olarak bazı endişeler ortaya çıkmıştır. Wi-Fi tarafından kullanılan enerji elektromagnetik spektrumda radyo tayfı içinde bulunan mikrodalga bölgesinde yer almaktadır. Radyo frekanslarının; mesafe, güç, ve maruziyet süresi gibi faktörlere bağlı olarak vücutta ısıl etkiye sebep olabileceği gibi  ısıl olmayan bazı biyolojik etkilere de sebep olabileceği öne sürülmektedir. Mikrodalga ışınları 0,00001 ile 0,001 eV aralığında olan kuantum enerjisine sahiptir ve bu enerji aralığı moleküler rotasyon ve torsiyon kuantum seviyelerini ayıran enerji aralığına denk gelmektedir. Mikrodalgaların madde ile olan etkileşimi moleküllerin rotasyonunda artışa sebebiyet verir ve rotasyondaki bu artış sonucunda meydana gelen moleküler hareket ile ısı artışı meydana gelir. Aminoasitler, peptidler ve proteinler dipolar özelliğe sahip olan yüklü moleküller olduğundan sulu veya dielektrik bir ortam içinde mikrodalga ışımasına maruz kalmaları moleküler dipollerin rotasyonunda artışa sebep olur. Molekül içindeki dipolar parçalar ile atomları birleştiren bağlar üzerinde rotasyonel kuvettin bu artışı bağları zayıflatır. Bir proteinin 3D yapısı, proteinlere özgü içsel floresansın varlığı ile floresans spektroskopisi kullanılarak izlenebilir. Aminoasitler maksimum UV emilimi ve ışıldama (floresans) özelliğini farklı dalga boylarında gösterdiklerinden dolayı proteinlerdeki yapısal değişimler, bu aminoasitler üzerinden gözlenen emilim ve ışıldama değişimleri izlenerek belirlenir. Bu proje, WiFi'dan yayılan EM ışımalara insanların maruz kalması sonucunda ne gibi biyolojik etkilerin ortaya çıkabileceğini görebilmek/tahmin edebilmek için yapılmıştır. Deneysel çalışma,  proteinlerin bütünlüğü ve dolayısıyla fonksiyonlarında meydana gelebilecek biyolojik etkileri gözlemlemek için gerçekleştirilmiştir. Yumurta akı karbohidrat, yağ, su, mineral, vitamin ve yüksek miktarda protein içeren biyolojik kompleks bir yapı olup  başta bu biyolojik karakteristikleri açısından insan dokusuna olan benzerliği baz alınarak kullanılmıştır. Ayrıca yumurta akının deneyde benzetim ortamı olarak kullanılmasının diğer nedenleri; termal özelliklerinin insan biyolojik ortamına benzerlik göstermesi ve koagülasyon (haraplama) başlangıcının hemen görülebilmesine olanak  tanıyan şeffaf (berrak) bir yapıya sahip olmasıdır. Deneyler, yumurta akı örneklerinin farklı sürelerde 2,45 GHz' de RF ışımasına maruz bırakılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Kontrol ölçümleri hiçbir RF ışımasına maruz bırakılmayan yumurta aklarının floresans spektrofotometresinde ölçümlerinin alınmasıyla oluşturulmuştur. Kontrol ölçümlerinden ve RF ışımasına farklı sürelerde maruz bırakılan tüm yumurta akı örneklerinden elde  edilen sonuçlar analiz edilip biribirleri ile karşılaştırılmıştır. Çalışmada, RF ışıması için bir mikrodalga anten düzeneği kullanılmıştır. Yumurta akları ilk düzenekte 2, 4 ve 6 saat olmak üzere üç farklı sürede ışımaya tabi tutulmuştur. Işıma 2,45 GHz frekansında (Wi-Fi), CW (continuous wave), +25 dBm (316,2 mW), VRMS; 3,9764 V çıkış gücündedir. İlk düzenekte plastik küvetlere konmuş olan yumurta akları deney düzeneğinde balunlu dipolden 40 cm uzaklığa yerleştirilmiştir. Küvetler yollanan ışımanın yansımasını önlemek için elektromagnetik soğurucuların arasına yerleştirilmiştir. Dipolün arkasına yönlendirme için metal plaka yerleştirilmiştir. Yumurta aklarının bulunduğu küvetler her ışıma süresi tamamlandığında düzenekten alınıp spektrofotometrede floresans (ışıldama) ölçümleri yapılmıştır.  Ölçüm sonuçları incelendiğinde ışımaya maruz bırakılan örneklerin ışıldama spektrumlarındaki tepeler hep aynı frekansta çıktığı ve bu tepelerde (pikler) herhangi bir kayma veya genişleme/daralma olmadığı gözlemlenmiştir. Spektrumda gözlemlenen tek değişiklik ışıldama şiddetinde tutarlı olmayan ve belirgin olmayan artış veya azalış şeklinde görülmüştür. Ancak yumurta akı heterojen bir yapı olup içinde parçacık ihtiva ettiğinden bu tutarsız değişimlere bağlı olarak yorum yapmak yanlıştır çünkü bu durumlar floresans şiddetini etkileyen durumlardır. Spektrumlarda EM alan etkisi olarak görülmesi beklenen asıl büyük değişiklik spektral tepelerin çıktığı frekanslarda kayma ve  bu tepelerde genişleme/daralma şeklindedir. Böyle bir değişiklik görülmemesi üzerine ikinci bir düzenek kurulup ışıma uzaklığı 20 cm'ye çekilmiş +25 dBm (320 mW) olan çıkış gücü +27 dBm'e (500 mW), (VRMS ; 5,009 V) çıkartılmıştır. Işıma süresi 3, 6 ve 24 saat olarak değiştirilmiştir. Ancak yapılan ölçümler incelendiğinde sonuçların yine aynı çıkmış ve anlamlı bir değişim gözlemlenmemiştir. Sonuç olarak bu çalışmadan elde edilen sonuçlar doğrultusunda, düşük güçte WiFi ışımasına görece sınırlı sürede (maksimum 24 saat) maruziyetin herhangi bir etkisinin olmadığı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
As in many fields, communication became much simpler and easier with the development of technology. Nowadays Wi-Fi systems providing wireless networking across the globe (worldwide) is the one of the most popular of these systems. Wi-Fi is an acronym for "wireless fidelity". As the mobile phones and two way radios does Wi-Fi use RF radiation for communication. Using a wireless hub unit Wi-Fi system sends out high frequency radio waves and electricomagnetic energy. Both high frequency radio waves and electricomagnetic energy density decrease with distance and as the energy spreads out in a spherical pattern, it is diffused across a larger area. Since Wi-Fi emits high frequency EM radiation generally at either 2.45 GHz or 5 GHz some concerns were raised regarding the safety of using  Wi-Fi. Wi-Fi systems generally emit very low power from both the computer antenna and the router antenna and is typically about 0.3 W (25 dBm). The power falls off very rapidly beyond a few inches away from the antennas. In comparison to cell phones, they  emit radiation between 0.6 Watts and 3 Watts (typically at about 1 Watt), generally at 1.9 GHz. Altough Wi-Fi systems emit low power and there are no identified health effects yet there is controversy about potential health hazards caused by Wi-Fi since it emits high frequency EM radiation. The electromagnetic spectrum is grouped into categories based on wavelength and or energy. The EM energy used by Wi-Fi is in microwave region of EM spectrum. There are two types of interactions of EM fields with matter which are called ionizing and non-ionizing. This classification is based on the energy of photons and field strength of waves and it is made according to frequency and energy efficiency, ie., degree of influence on living beings. In this classification radio frequencies are in the non-ionizing part. This part of EM spectrum is starting about 1Hz up to 1000 GHz may cause thermal effects in the body depending on the factors such as distance, power, and length of exposure time. Also it was claimed that there is some probability that this frequency region would give rise to some non-thermal biological effects. The different parts of EM spectrum have  different effects upon interaction with matter. First, absorption of a photon by material occurs only when the quantum energies of the incident photons match available energy level gaps of electrons in the material, if not, then the material will be transparent to the incident photons. The quantum energy of microwave photons is in the range 0.00001 to 0.001 eV which is in the range of energies that separates the quantum states of molecular rotation and torsion. The interaction of microwaves with matter will be to rotate molecules and produce heat as result of that molecular motion. Since amino-acids, peptides and proteins are charged molecules with dipolar properties in aqueous or dielectric media, microwaves may induce polarization as well as promote the rotation of molecular dipoles. A protein is composed of a number of dipolar moieties that contribute to the net dipole moment of total protein. This increase in the rotational force on bonds which is caused by microwave radiation connecting dipolar moieties to adjacent atoms in the molecule, reduce the energy required to break bonds. Therefore the bonds get weaker and the probability of hydrolysis increases. Proteins are essential components of living organisms and they are involved in each process occuring within the cells. Any changes in the protein's structure has great importance for human body and may alter or completely finish the activity of that protein, therby giving rise to health problems. Protein folding is the reaction by which a protein adopts its native 3D structure which is the functional state of the protein. Folding happens in several steps, in a simplistic manner, first is formation of the secondary structure (2D) followed by acquisition of the tertiary structure arrangement (3D), and sometime a further quaternary structure (4D) organization in the case of oligomeric complex proteins. The 2D of a protein can be monitored by Circular Dichroism whereas the 3D structure can be tracked down using fluorescence spectroscopy, in particular intrinsic protein fluorescence. Amino-acids which are the constituent of proteins, make their maximum UV absorption and fluorescence emission at different wavelengths thereby giving opportunity to determine the structural changes that take place within the protein by monitoring changes in the observed absorption and fluorescence. This project was conducted to observe / estimate effects if Wi-Fi is exposed to people since Wi-Fi devices are often placed near public areas in cocentrated fashion to increase coverage area. This experimental study was carried out to determine biological effects of Wi-Fi on proteins, protein integrity and thus, protein function after exposure. Hen egg white which is a complex biologic structure was used as phantom media because its characteristics are similar to with those of other biological media such as carbohydrates, lipids, water, minerals and proteins. Furthermore, hen egg white was chosen as a phantom medium also because of the similarity of its thermal properties with those of other biological media and because of its transparency in uncoagulated phase. This study was conducted by exposing the samples to RF radiation at 2.45 GHz for different periods of time. Control measurements were carried out by making fluorescence measurements on unexposed hen egg whites. All results were compared and analyzed in terms of biological effects on protein structure. The samples were exposed to RF radiation by a microwave antenna setup. In our first antenna setup, samples were irradiated at three different time periods that are 2, 4 and 6 hours, RF irradiation was at 2.45 GHz and continious wave (CW). The output of the irradiation was adjusted to +25 dBm (316.2 mW), VRMS; 3.9764 V. Egg white samples were placed in plastic cuvettes which were placed at a distance of 40 cm from balanced to unbalanced dipole. A metal plate was placed on the back of the dipole for orientation. To prevent reflection of incident radiation, cuvettes were placed between electromagnetic absorbers. After each irradiation period, cuvettes were taken from the antenna setup and measurement of their fluorescence spectra was carried out. In fluorescence measurements, first the absorption spectra of the samples was measured. In the absorption spectra of the samples there were two peaks detected coming from lysozme (HEWL) and NADH at 311nm and 386 nm respectively. Subsequently, fluorescence spectra of these two molecules was recorded with excitation at 311nm for lysozyme, and excitation at 386 nm for NADH. From the results and comparison of absorption and fluorescence emission spectra of the samples, no significant changes were observed. The only change was in the fluorescence intensity which was almost  imperceptible and inconsitent. Since egg white is a heterogeneous media and it contains particles, it would be misleading interpret about the change in fluorescence intensity. This is because fluorescence intensity can be affected by the concentration of the sample and if the samples contain smaller particles, some of the incident radiation can be scattered rather than absorbed (Tyndall scattering) and thus incorrectly detected as fluorescence. The main changes in the spectra that we expected was a shift in the peaks and/or broadening-narrowing, since the bonds connecting dipolar moieties to adjacent atoms in the molecule get weaker by an increase in the rotational force on them. A second microwave antenna set-up was then established upon failure of observing any using this first setup. The output of the radiation was +25 dBm (320 mW) and was increased to +27 dBm (500 mW), (VRMS ; 5.009 V). Irradiation time was changed to 3, 6 and 24 hours and the distance to antenna was shortened to 20 cm. Suprisingly, there were no significant changes observed in the camparison of the fluorescence spectra of  samples after this second set of measurements. There was no difference between the results of measurements from two setups. Consequently, exposure to the low power Wi-Fi irradiation for a limited time (24 h) has no significant biological effects on HEWL and NADH.