免标记光纤生物传感器由于具有结构简单、灵敏度高等优点，已经成为生物传感器的重要组成部分。而微结构光纤天然的微流通道、灵活的结构设计使它非常适合用于制作光纤生物传感器，因此对微结构光纤光栅生物传感器的研究具有十分重要的理论价值和实际意义。本文在总结目前光纤生物传感器的技术和研究现状的基础上，理论分析了高双折射型微结构光纤光栅和柚子型微结构光纤光栅生物传感模型的折射率、生物膜层厚度和温度的传感特性，并实验验证了柚子型微结构光纤布拉格光栅和长周期光栅的折射率及温度传感特性，为微结构光纤光栅的生物传感技术奠定了理论基础。论文的主要内容包括：首先，采用有限元法分析了高双折射型微结构光纤的传输特性，计算了光纤的传输模式及其模场分布，并运用耦合模算法和传输矩阵法对该光纤的布拉格光栅、级联布拉格光栅以及啁啾光栅的反射谱特性进行了仿真，得到了三类高双折射型微结构光纤光栅的反射谱。其次，深入分析了高双折射型微结构光纤布拉格光栅、级联布拉格光栅以及啁啾光栅的折射率、生物膜层厚度变化和温度的灵敏度，研究了利用布拉格光栅反射谱中两个谐振波长的波长差实现生物膜层厚度测量的新方法。分析了所设计生物传感器的折射率及生物膜层厚度灵敏度随光纤及光栅参数的变化规律，从而为传感头结构参数的优化设计提供了理论依据。再次，利用传输矩阵法分析了柚子型微结构光纤布拉格光栅的反射谱和该光纤长周期光栅的透射谱。研究了在充入不同折射率液体时光栅谐振波长的漂移情况和在生物膜层厚度发生变化时其谐振波长的变化规律。同时考虑热膨胀效应和热光效应对柚子型微结构布拉格光栅和长周期光栅的温度特性进行分析得到了相应的温度灵敏度。然后，利用扩展的传输矩阵法深入分析了柚子型微结构光纤中长周期与布拉格级联光栅的传输特性。研究了级联光栅在反射方式下工作时，反射谱的两个谐振波长对折射率、生物膜层厚度和温度的传感特性；研究了级联光栅在透射方式下工作时，长周期光栅和布拉格光栅谐振波长对生物膜层厚度及温度灵敏度的差别，理论分析了利用两个谐振波长同时测量生物膜层厚度和温度的方法。最后，对柚子型微结构光纤布拉格光栅和长周期光栅的折射率特性和温度特性进行了实验验证，对实验结果进行了详细分析，证明了利用微结构光纤光栅进行免标记生物传感器设计的可行性。本文对不同种类微结构光纤光栅折射率、生物膜厚度和温度传感特性进行了大量的理论和实验研究工作，为微结构光纤光栅免标记生物传感器的深入研究和应用奠定了基础。