光は横波の性質を持っており，進行方向に対して垂直な平面内で振動している（図2（a））。一方，蛍光分子が励起される場合，S₀→S₁遷移には分子構造によって決まる向きがあり（これを遷移モーメントと呼ぶ），直線偏光による入射光の振動方向が遷移モーメントと平行であれば励起効率は最大で，直交していれば0になる（これを光選択という）。従って，例えば水溶液中でランダムに分散している蛍光分子であっても，直線偏光で励起されるのはその時点で遷移モーメントが平行な分子集団に限られる（図2（b））。一方，発する蛍光にも固有の向きがあり，強く偏光していれば入射光と平行な螢光の偏光成分が強くなる。この偏光の度合いを表すのに便利なパラメーターが蛍光異方性r（fluorescence anisotropy）で，式（2）で表される。

ここで，I_//とI_⊥はそれぞれ入射光の偏光方向と平行及び垂直な蛍光の偏光成分である。もし蛍光分子が激しく回転ブラウン運動していれば，I_//が小さくなりI_⊥が大きくなるので，rは小さくなる。これが偏光解消である。従って，rを調べることで蛍光分子の回転運動の度合いが理解される。さて，蛍光寿命の計測と同様にrの時間変化r（t）を調べると何がわかるのだろう。r（t）は式（3）で表される。

ここで，r0は分子運動がない時に期待される異方性，θは回転相関時間（fluorescence rotational correlation time）であり，ナノ秒領域の分子の振る舞いを考える上で最も重要なパラメータである。ここで，θの意味について考えてみたい。分子を剛体球とみなした場合，θは式（4）で表される。

ここで，k_Bはボルツマン定数，Tは絶対温度，vは分子の体積，ηは溶媒の粘度である。従って，θさえ求めることができれば，vとηの積がわかる。vがわかっていれば溶媒の粘度ηが求まるし，ηがわかっていれば分子体積vが求まる。こうした原理を生体膜の研究に応用した例を次に紹介する。

細胞やオルガネラ（細胞内小器官）はリン脂質二重層の膜におおわれ，特定のタンパク質や代謝中間体がコンパートメント化されている。細胞を包み込んでいるのが細胞膜（plasma membrane）で，そこには外界シグナルを伝達する受容体やチャネル，イオン環境を整えるポンプ，アミノ酸などを運び込むトランスポータがぎっしりと敷きつめられている。膜タンパク質の様々な機能を働かせるために肝心なのが，適切な生体膜の状態である。厚さわずか5nmのリン脂質二重層のダイナミクスを知るのによく使われるのが，DPH（1,6－diphenyl－1,3,5－hexatriene）とそのアナログTMA－DPH1－（4－trimethylammonium－phenyl－1,3,－hexatriene）である（図3（a））。

これらの分子は水溶液中では励起しても蛍光を発しないが，脂質中では強い蛍光を発する。また，棒状で強い偏光特性をもつため，図3（b）のように膜に埋め込まれた時，偏光解消から脂質二重層の動的構造がわかる。なお，TMA－DPHは極性基をもつためリン脂質の頭部にアンカーされる。

人工膜DPPC（dipalmitoylphospha tidylcholine）をDPHとTMA－DPHでそれぞれラベルし，定常光励起によって異方性r値の温度依存性を調べたのが図4（a）である。DPHのr値は42 ℃付近を境に急激に低下している。42 ℃はDPPCの相転移温度である。この温度以下でDPPC膜はゲルなので，DPHの分子運動が強く束縛されている。ところが，42 ℃を越えると液晶相となり，急速に分子の運動性が増し偏光解消が起こる。その結果としてr値は低下する。一方，TMA－DPHの異方性r値も42 ℃で急激に低下しているが，その度合いはDPHほど顕著ではない。これは，TMA－DPH分子の末端がリン脂質の頭部にアンカーされているせいで，液晶相にあっても分子の運動性がある程度制限されているためである。

これを出芽酵母Saccharomyces cerevisiaeの生きた細胞で実施した例を次に示す。まず，酵母細胞をリン酸緩衝液で洗浄後，5 μMのDPHあるいはTMA－DPHで10分間室温でラベルする。次に余分な試薬を洗い流し，異方性の温度依存性を調べたのが図4（b）である。人工膜と違って相転移に伴う急激なr値の低下は観察されないが，昇温と共に連続的に偏光解消が激しくなっていくのがわかる。一方，TMA－DPHでは温度依存性が小さいことが興味深い。