穩定的氮氧自由基可用來作為信號傳遞的官能團，來研究藥物和其他生物大分子配體的相互作用，如重要的酶、核酸和細胞膜。其中最常用的自旋標記物是氮氧自由基，因為這種基團在生理pH值水溶液系統很穩定。此外，氮氧自由基即使發生微小的變化也能被檢測出來。自旋標記的藥物對在分子水平研究藥物機理很重要。例如，含有氮氧自由基的藥物已被用于研究藥物與生物大分子的特定受體與作用位點，同時自旋標記藥物連同免疫技術，做成探針檢測和化驗低濃度藥物及生物液體代謝產物等如尿液，血漿及唾液等。
另外氮氧自由基還具有清除體內自由基的能力，保護細胞大分子免受氧化損傷。此外還有其他的作用如順磁性、類SOD活性、自旋捕獲試劑和輻射保護作用。所以具有順磁性的哌啶、吡咯、吡咯啉、咪唑氨等都是化學和生物學研究中常用的自旋標記試劑。