生体分子に結合させた標識の位置や動きを高精度で１分子計測することで、個々の分子がどのようなメカニズムで機能しているのかを明らかにすることができる。 　マイクロビーズなどの大きな標識は可視光で照明し、対物レンズでその像（影）を大きく（1000から10万倍）拡大し４分割のフォトダイオードに投影することで、その動きを1nm以下の精度で検出することができる。ただし、微小な動きを検出する場合は、標識のブラウン運動を防ぐために光ピンセット等で捕捉する必要がある。また、光ピンセットで捕捉することによって、そのバネ定数と検出した変位から、ビーズにかかっている力を見積もることができる。モータータンパク質であるキネシン分子を固定した直径１μmのビーズを光ピンセット(バネ定数~0.1pN/nm)で捕捉し微小管と相互作用させることで、キネシン分子が微小管に沿って8nmずつステップ状に動くことと最大7pNの力を出すことが明らかになった。また、RNAポリメラーゼがDNAの情報を１塩基ずつ読み進んでいく0.34nmステップの動きも同様の方法で検出された。 　蛍光色素分子や量子ドットなどを１分子イメージング蛍光顕微鏡で観察した場合、直径が数百nmのぼやけた像として観察されるため、そのままでは、正確な位置はわからない。しかし、この像の光強度のプロファイルを解析することによってその中心点、すなわち蛍光物質の存在している位置をnm精度で決定することができる。この方法を使って二量体のモータータンパク質分子であるミオシンVが２つのモータードメインを交互に動かすことによってアクチンフィラメントに沿って運動することが明らかになった。 　最近は量子ドットを使って、細胞内で１分子計測が行われ始めている。