本发明属于磁性材料、纳米材料和光催化技术领域，特别涉及一种多层结构纳米复合物及其应用。
背景技术：
自从20世纪80年代gleiter等人首次用惰性气体凝聚法成功制得pd、cu、fe等纳米微粒以来，纳米材料作为一种新材料逐渐成为世界各国研发的重点。由于纳米材料明显不同于体材料和单个分子，因而具有独特的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和隧道效应，呈现出许多特有的物理和化学性质，在电子学、光学、生命科学、信息存储、造纸、陶瓷、化妆品、催化、医药、环境保护等领域显现出广阔的应用前景。
其中，纳米结构的半导体材料tio2被视为目前最有应用前景的光催化材料之一。tio2作为光催化剂具有无毒、化学性质稳定、成本低等优势，在光作用下能产生具有强氧化能力的空穴和羟基自由基，最终可使有机物质完全氧化生成二氧化碳、水以及硫酸根等无机离子，可对废水中的有机污染物进行深度处理，对环境进行修复，还可用作光催化氧化杀菌。在医学上，随着光纤技术、内镜技术和激光医学的发展，tio2作为医用光敏剂理论上可在光作用下光催化氧化杀灭各类肿瘤细胞，从而光动力治疗(photodynamictherapy，pdt)恶性肿瘤；与手术、化疗、放疗等传统疗法相比，其最大优点是通过在肿瘤细胞上富集和向肿瘤组织定向导入光源实现对癌细胞的选择性杀伤，而不必施行外科手术，并且避免了传统疗法中对正常细胞大量损害的缺点。
tio2在液相光催化中，虽然具有令人比较满意的催化活性，但由于其宽带隙导致它仅在紫外光照射下才能引发光催化反应，无法充分响应可见光，这就大大限制了它的使用效率，并且紫外光对人体有很大的伤害。另外，tio2光激发后产生电子和空穴寿命很短，极易复合(量子产率低)，存在催化效率低等问题。
为解决上述问题，各国研究人员从不同角度对tio2进行了以下改性措施。为了降低tio2光催化剂的带隙、提高电子与空穴分离、使其响应波长范围拓展到可见光区，提高其光催化活性和效率，采取的手段有半导体复合、离子掺杂、超强酸化、贵金属沉积、光敏化等。例如：hasungpark等制备了2.5wt％cu/tio2可见光响应型催化剂，使吸收边界从紫外区延伸至480–490nm，一定程度上提高了光催化效率(hasungpark,donghyunkim,sunjaekim,kyungsublee,journalofalloysandcompounds,2006,415:51–55)。为了便于分离tio2，专利201410187192.1公开了一种磁性纳米光催化剂znfe2o4/tio2，该光催化剂用于处理染料废水和含油废水并能磁性分离。对于pdt，liu等制备了pt/tio2纳米复合材料，并用于pdt抑制肿瘤细胞增值(leiliu,pengmiao,yuanyuanxu,zhipengtian,zhigangzou,genxili,journalofphotochemistryandphotobiologyb:biology,2010,98:207–210)。
这些措施虽然对tio2在液相光催化中存在的问题提出了一些改进方案，一定程度上提高了tio2的效能，但仍然无法完全克服tio2的全部缺陷，无法真正满足实际应用需求。特别是在精准医学肿瘤治疗中，还要求其对肿瘤细胞具有靶向性。叶酸(folicacid,fa)是一种水溶性小分子维生素，它可以与叶酸受体(folatereceptor，fr)发生特异性结合。叶酸受体在肿瘤细胞中高度表达，在正常细胞中几乎不表达，基于叶酸受体在肿瘤细胞与正常细胞中的表达差异，可实现叶酸纳米复合物的主动靶向输送，在肿瘤靶向治疗中具有独特优势，若再赋予磁性，则会产生主动和被动靶向双重功能。
经过对现有技术的文献检索发现，文献“蒸汽相水解法制备磁性光催化剂fe3o4/sio2/tio2及其光催化性能”报道了采用蒸汽相水解法，以fe3o4纳米磁性颗粒为磁核，在其表面包覆一层sio2来阻止光腐蚀，然后将纳米氧化钛沉积在fe3o4/sio2颗粒表面，从而制备核壳结构的fe3o4/sio2/tio2复合材料，用于光催化降解有机污染物；其报道的复合材料虽引入磁性，但与本发明的制备方式和工艺路线不同，并且未进一步引入其它修饰成分来增强可见光响应性和生物特异性(郭冬雪,宗海伦,吴一泓,张青红,中国科技论文,2014,9,6:637-641)。
文献“光催化叶酸纳米tio2复合物靶向杀伤癌细胞效应及与生物大分子相互作用研究”提出了叶酸纳米tio2复合物靶向光催化杀伤癌细胞，其报道的复合物虽然具有叶酸靶向性，但未进一步引入其它修饰成分来实现可见光响应性和磁靶向性(高晓亚,山西医科大学,硕士论文,2012)。
技术实现要素：
为了克服上述不足，本发明提供一种集多功能于一体的多层结构纳米tio2复合物及其应用。该多层结构纳米tio2复合物能响应可见光，抑制电子和空穴复合、增强光催化活性并且具有生物特异性。该多层结构纳米tio2复合物可应用于光催化，特别是液相光催化领域。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多层结构纳米复合物，所述多层结构纳米复合物通式为feaob–sio2–tio2–<x+fa>，以feaob为内核，在其外层依次包覆有sio2层、tio2层和<x+fa>双改性层，其中，x为zn、la或ce，fa为叶酸，a、b为大于零的自然数。
优选的，所述feaob为磁性fe3o4或磁性fe2o3或两者形成的混合体。
优选的，所述feaob的含量为0.0001–95wt％，sio2的含量为0.0001–95wt％，tio2的含量为1–95wt％，x的含量为0.01–0.5wt％，余量为fa。
优选的，所述fe2o3的晶型为γ型，sio2的结构为无定型，tio2的晶型为锐钛矿相。
优选的，feaob微粒直径为0.0001–30nm，sio2厚度为0.0001–50nm，tio2厚度为0.0001–50nm，纳米复合物整体尺寸不超过150nm。
本发明还提供了一种多层结构纳米复合物的制备方法，包括：
将feaob与蒸馏水、无水乙醇、浓氨水混合均匀，再滴加正硅酸乙酯进行反应，反应完毕，磁力沉降，洗涤，热处理，得feaob–sio2；
将上述feaob–sio2与无水乙醇、钛酸醇酯混合均匀，超声分散，再加入无水乙醇、蒸馏水和浓盐酸混合液，水浴反应，陈化，热处理，焙烧，即得feaob–sio2–tio2；
将上述feaob–sio2–tio2加入盐溶液中，混合均匀，干燥，焙烧，得feaob–sio2–tio2–x；
将上述feaob–sio2–tio2–x的水分散溶液与含盐的叶酸溶液混合，透析，干燥，即得。
优选的，所述盐溶液中的盐为醋酸锌、硝酸镧或硝酸铈。
优选的，所述含盐的叶酸溶液中的盐为碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸氢钾或碳酸钾。
本发明还提供了任一上述的方法制备的多层结构纳米复合物。
本发明还提供了任一项上述的多层结构纳米复合物在光催化领域中的应用。
本发明的有益效果
(1)该多层结构纳米复合物集多种功能于一体，克服了tio2在光催化中存在的问题。能降低tio2带隙、拓宽tio2吸收边界、响应可见光、抑制电子和空穴复合从而增强光催化活性，能响应外加磁场、具有磁性、可通过外加磁场实现传输或分离，此外还具有生物特异性。可应用于光催化领域，如pdt、灭菌、降解有机物等。
(2)本发明制备方法简单、效率高、实用性强，易于推广。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1：制备多层结构纳米复合物
步骤(1)：配制0.24mol·l-1氯化铁和0.12mol·l-1氯化亚铁混合溶液，加入几滴稀盐酸，通入氮气鼓泡40min，搅拌条件下加入氨水(6–7wt％)至ph＝9，反应4h，磁分离，依次用蒸馏水、乙醇洗涤3次，30℃热处理4h。将其加入柠檬酸–柠檬酸钠溶液中(柠檬酸根浓度为0.2mol·l-1)，超声分散均匀，离心并用乙醇洗涤3次，真空干燥。所得产物计作s1。
步骤(2)：称取40mg步骤(1)制得的产物，持续搅拌条件下，按体积比10:30:1依次加入蒸馏水、无水乙醇、浓氨水(25–28wt％)，再滴加0.3ml正硅酸乙酯并反应4h，磁力沉降，依次用蒸馏水、乙醇洗涤，30℃热处理4h。所得产物计作s2。
步骤(3)：称取1g步骤(2)制得的产物，依次加入20ml无水乙醇、4ml钛酸丁酯，超声分散5min，于50℃水浴中电动搅拌20min，加入20ml无水乙醇、1ml蒸馏水和0.15ml浓盐酸混合液，反应完毕，陈化，80℃热处理，400–550℃焙烧4h。所得产物计作s3。
步骤(4)：称取1g步骤(3)制得的产物，同时将定量的硝酸镧(按la含量0.05wt％计算)配成溶液，两者等体积混合1h，100℃干燥，400–500℃焙烧4h。所得产物计作s4。
步骤(5)：称取1g步骤(4)制得的产物，加入150ml去离子水中，搅拌均匀，加入含碳酸氢钾的叶酸溶液，经过1d之后利用碳酸氢钾溶液(4×10-4mol·l-1)透析1d，干燥，即得最终产物。所得产物计作s5。s5含叶酸0.1wt％。
结合产物s1、s2、s3、s4，对产物s5进行了系列表征和分析：经多晶粉末x射线衍射和透射电子显微镜获悉其内核层为fe3o4、sio2为无定型结构、tio2为锐钛矿型，磁性测试分析获悉s5具有磁性，紫外可见漫反射吸收光谱分析获悉s5能响应可见光，傅里叶红外光谱分析获悉s5中含有结合的fa。
实施例2：制备多层结构纳米复合物
步骤(1)：配制0.24mol·l-1氯化铁和0.12mol·l-1氯化亚铁混合溶液，加入几滴稀盐酸，通入氮气鼓泡40min，搅拌条件下加入氨水(6–7wt％)至ph＝9，反应4h，磁分离，依次用蒸馏水、乙醇洗涤3次，30℃热处理4h。将其加入柠檬酸–柠檬酸钠溶液中(柠檬酸根浓度为0.2mol·l-1)，超声分散均匀，离心并用乙醇洗涤3次，真空干燥。
步骤(2)：称取40mg步骤(1)制得的产物，持续搅拌条件下，按体积比10:30:1依次加入蒸馏水、无水乙醇、浓氨水(25–28wt％)，再滴加0.3ml正硅酸乙酯并反应4h，磁力沉降，依次用蒸馏水、乙醇洗涤，30℃热处理4h。
步骤(3)：称取1g步骤(2)制得的产物，依次加入20ml无水乙醇、4ml钛酸丁酯，超声分散5min，于50℃水浴中电动搅拌20min，加入20ml无水乙醇、1ml蒸馏水和0.15ml浓盐酸混合液，反应完毕，陈化，80℃热处理，400–550℃焙烧4h。
步骤(4)：称取1g步骤(3)制得的产物，同时将定量的硝酸铈(按ce含量0.1wt％计算)配成溶液，两者等体积混合1h，100℃干燥，400–500℃焙烧4h。
步骤(5)：称取1g步骤(4)制得的产物，加入150ml去离子水中，搅拌均匀，加入含碳酸氢钾的叶酸溶液，经过1d之后利用碳酸氢钾溶液(4×10-4mol·l-1)透析1d，干燥，即得最终产物。所得产物计作s6。s6含叶酸0.1wt％。
对产物s6进行了系列表征和分析：经多晶粉末x射线衍射和透射电子显微镜获悉其内核层为fe3o4、sio2为无定型结构、tio2为锐钛矿型，磁性测试分析获悉s6具有磁性，紫外可见漫反射吸收光谱分析获悉s6能响应可见光，傅里叶红外光谱分析获悉s6中含有结合的fa。
实施例3：制备多层结构纳米复合物
步骤(1)：配制0.24mol·l-1氯化铁和0.12mol·l-1氯化亚铁混合溶液，加入几滴稀盐酸，通入氮气鼓泡40min，搅拌条件下加入氨水(6–7wt％)至ph＝9，反应4h，磁分离，依次用蒸馏水、乙醇洗涤3次，30℃热处理4h。将其加入柠檬酸–柠檬酸钠溶液中(柠檬酸根浓度为0.2mol·l-1)，超声分散均匀，离心并用乙醇洗涤3次，真空干燥。
步骤(2)：称取40mg步骤(1)制得的产物，持续搅拌条件下，按体积比10:30:1依次加入蒸馏水、无水乙醇、浓氨水(25–28wt％)，再滴加0.3ml正硅酸乙酯并反应4h，磁力沉降，依次用蒸馏水、乙醇洗涤，30℃热处理4h。
步骤(3)：称取1g步骤(2)制得的产物，依次加入20ml无水乙醇、4ml钛酸丁酯，超声分散5min，于50℃水浴中电动搅拌20min，加入20ml无水乙醇、1ml蒸馏水和0.15ml浓盐酸混合液，反应完毕，陈化，80℃热处理，400–550℃焙烧4h。
步骤(4)：称取1g步骤(3)制得的产物，同时将定量的醋酸锌(按zn含量0.5wt％计算)配成溶液，两者等体积混合1h，100℃干燥，400–500℃焙烧4h。
步骤(5)：称取1g步骤(4)制得的产物，加入150ml去离子水中，搅拌均匀，加入含碳酸氢钾的叶酸溶液，经过1d之后利用碳酸氢钾溶液(4×10-4mol·l-1)透析1d，干燥，即得最终产物。所得产物计作s7。s7含叶酸0.1wt％。
对产物s7进行了系列表征和分析：经多晶粉末x射线衍射和透射电子显微镜获悉其内核层为fe3o4、sio2为无定型结构、tio2为锐钛矿型，磁性测试分析获悉s7具有磁性，紫外可见漫反射吸收光谱分析获悉s7能响应可见光，傅里叶红外光谱分析获悉s7中含有结合的fa。
实施例4：
将上述制得的产物s5应用于光催化杀灭肿瘤细胞，具体实施：实验在无菌室及无菌洁净操作台中进行。本实验以人胃癌sgc-7901细胞作为受试细胞，经过传代培养后收集对数期的癌细胞，制成浓度为1×106cells/ml的单细胞悬液。将其分成对照组和实验组，即空白对照组、光照对照组、s5对照组、tio2+光照对照组、s5+光照实验组。每组细胞设5个平行孔对照，重复实验三次。
首先将1ml单细胞悬液接种于96孔板相应的孔中，置于co2培养箱中孵育24h。待细胞贴壁生长后，弃去旧培养液。
空白对照组：常规培养sgc–7901细胞。
光照对照组：在设定的各孔中加入1ml新鲜培养液，用光源照射，照射完毕，继续孵育24h，检测细胞存活率。
s5对照组：在设定的各孔中加入1ml新鲜培养液，加入200μg的s5，继续孵育24h，检测细胞存活率。
tio2+光照对照组：在设定的各孔中加入1ml新鲜培养液，加入200μg的tio2，用光源照射，照射完毕，继续孵育24h，检测细胞存活率。
s5+光照实验组：在设定的各孔中加入1ml新鲜培养液，加入200μg的s5，用光源照射，照射完毕，继续孵育24h，检测细胞存活率。
实验所用光源为300w氙灯，光源直接照射，光距30cm，照射时间分别选取0.5、1、1.5h。采用nikoneclipseti倒置显微镜观察细胞形态变化、分析存活情况并拍照，采用mtt法在bio-radimark酶联免疫检测仪上测定细胞存活率。对照分析和时间因素分析结果表明，单独s5对肿瘤细胞存活情况基本无影响，单独光照有较低的杀伤作用，s5光照实验组在三个时间点均对肿瘤细胞具有显著的光催化杀伤活性，并且与作用时间成正比。与tio2光照组对照分析结果表明，s5的光催化灭活效果优于tio2。
实施例5：
将上述制得的产物s5应用于光催化降解甲基橙染料废水，具体实施：反应在光催化反应瓶中进行，反应液中甲基橙初始浓度为10mg/l，体积为100ml，光催化剂用量为1g/l，用盐酸调节ph＝5，溶液温度恒定在20℃，避光30min，用300w氙灯作为光源从上方直接照射溶液反应，光距20cm，间隔一定时间取样，于最大吸收波长处用uv–2102pc紫外可见分光光度计测定吸光度，由η＝(a0–at)/a0×100％计算甲基橙降解率，式中a0及at分别代表甲基橙溶液的初始吸光度和t时刻的吸光度。单纯tio2在同等条件下进行同等实验，以作对比。通过比对s5和单纯tio2两者的η–t关系发现，s5对甲基橙的降解率优于单纯tio2，具有增强的光催化活性；此外还发现，反应完成后，s5催化剂可用高强磁铁从悬浮液中分离，2min即可基本分离完全，便于快速回收催化剂和再生循环使用。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。