因自由基有不成對電子自旋，所以稱自旋標記（H．M．McConnell）。
開始是用氯丙嗪陽離子自由基研究其與DNA的相互作用，后來則用穩定的硝酰（基）自由基類。有N-羥四甲基六氫吡啶（四氫吡咯）衍生物以及N-羥二甲基1，3-氧氮雜環戊烷衍生物等。有合成在標記物的局部含有反應性的官能團，使之與活體高分子等反應而結合于特定的部位；
或合成與活體有關的含硝基氧（ni-troxide）基的低分子化合物，加于活體以觀察其相互作用等方法。
一般標記蛋白質的胱氨酸基，通過標記物的動的變化來檢查局部環境的變化。
另外通過自旋標記的磷脂已查明了生物膜或類脂雙層膜內類脂分子的擴散類脂的烷基鏈的彎曲性，為探明生物膜的行動的結構作出了貢獻。